Диссертация (Разработка метода расчета сложных разветвленных пневматических систем), страница 6

В связи с этим было разработано множество программныхкомплексов и написано огромное количество собственных программ,позволяющих решать инженерные задачи проектирования.Программные комплексы для расчета разветвленных систем началибыстро развиваться с начала 60х годов. В них решаются уравнениясохранения в узлах и применяются соотношения Дарси Вейсбаха, ХазенаВильямса или Чези-Манинга для определения потерь давления в связях.Множество из разработанных программ представляют скорее академическийинтерес и были созданы для решения узкого круга задач [66].С развитием компьютерной техники стало возможным решение задач сразмерностью в сотни тысяч каналов и трубопроводов при использованиивсего лишь персонального компьютера.

На данный момент существуетмножество коммерческих пакетов, таких как CYBERNET, RINCAD,STONER, AQUA, KYPIPE, Camp Dresser & McKee, CalcFlow, Piccolo,WaterWorks, TDHNET, Pipes for Windows, WATSYS. При этом, начиная с1992 года более 20 разработчиков различных программных продуктов поанализураспределенныхсистем,регулярнообсуждаютвозможностьсовместного развития всех программных продуктов в рамках семинаров испециализированных конференций [66]. Вместе с тем, с развитиемкомпьютерных технологий многие программные продукты прекратили своеразвитие.Внастоящиймоментнарынкепрограммногообеспеченияпреобладают только несколько пакетов.

Наиболее известным открытым, нетребующим специализированной лицензии, современным программнымпродуктом, является программа разработки Агентства охраны окружающей39среды Соединенных Штатов Америки (United States Environmental ProtectionAgency's)- EPANET. Данное ПО основано на глобальном градиентномалгоритме Тодини. Первая версия программы вышла в 1993 году, после чегобыла модифицирована и дополнена в 2000 году [51, 71].

Много программныхкомплексов используют EPANET, адаптировав данное ПО для своеговнутреннегоинтерфейса[31, 51].Такжепрограммныепродукты,предназначенные для расчетных анализов, совместимы с другими пакетами,такие как Microsoft Word и Excel, AutoCAD, MathCAD, MATLAB и др.Тенденция развития программных продуктов сводится к автоматизации,упрощению интерфейса и адаптирования имеющегося математическогоаппарата. Примером тому является программный продукт WDNetExуниверситета Бари в Италии [103-106].Одним из лидеров коммерческих пакетов отечественного производствадлярасчетаразветвленныхПСигидравлическихсетей,являетсяпрограммный комплекс «Гидросистема» НТП «Трубопровод» [107-110].

Этопервый российский программный продукт, в котором был примененградиентный метод Тодини [79]. Также из отечественных программныхпродуктов выделяются ИВЦ «Поток», ZULU «TERMO», ИВЦ «Теплограф»,применяемые для моделирования разветвленных сетей [107-110].Для расчета потокораспределения иногда используется ПО, основанноенамоделяхвсосредоточенныхпараметрах.Достоинствомданныхкомплексов является простота их использования и удобство интерфейсапользователя, в связи с чем имеется множество «самописных» программ,обычно предназначенных для расчета узкоспециализированных систем.Одним из наиболее удобных открытых продуктов широкого назначенияявляется программа «Моделирование в Технических Устройствах (МВТУ)»,разработанная в МГТУ им.

Н.Э.Баумана [111].Большинство пакетов программного обеспечения, предназначенногодля расчета ПС, являются коммерческими и требуют покупки дорогостоящей40лицензии [107-110] или же имеют в открытой версии ограниченныйфункционал пользователя без возможности внесения изменений в алгоритмы[103, 111]. При этом, даже в стандартном отраслевом ПО возможнычисленные неустойчивости [23, 94, 112].Таким образом, можно сделать вывод, что в общем случае дляразветвленныхПСпроизвольнойконфигурациисомножествомпараллельных и последовательных соединений посредством различныхканалов существующее ПО не позволяет проводить весь спектр необходимыхрасчетов.1.4.

Выбор метода расчета разветвленных ПСРассмотренные выше методы расчета пневматических систем необеспечивают возможности моделирования стационарного режима работы сомножеством источников и потребителей и учетом теплообмена с учетомизменения свойств рабочей среды в широком диапазоне. Таким образом, длярасчета ПС сложной разветвленной конфигурации требуется созданиематематической модели, описывающей разветвленные ПС с учетомпотокораспределения для неизотермического течения сжимаемой среды повсем характерным элементам системы.Таким образом, требуется разработка математических моделей рабочихпроцессоввразветвленныхПСиразработкаметодаихрасчета,учитывающих совместный аспект потокораспределения и изменение свойстврабочей среды в элементах расчетной схемы.Для решения данной задачи были выбраны численные методы, такиекак конечно-элементный метод (МКЭ) и метод контрольного объема (МКО)[113-117].

Как было показано в работах [16, 17, 114, 118-120], подобныеметоды позволяют учитывать различные эффекты, такие как теплообмен итрение в каналах.41При решении задачи потокораспределения при помощи МКО вконечно-элементнойиликонечно-разностнойпостановкахтребуетсяполучение единого поля давления для всей расчетной области с помощьюдискретизации уравнения неразрывности [60, 118]. Это позволяет вразветвленных ПС отказаться от выделения контуров и сводится к решениюединого поля давления сразу для всей расчетной области.На кафедре Э-5 «Вакуумная и компрессорная техника» МГТУим. Н.Э.Баумана был проведен ряд работ по моделированию канальныхтечений в приближении маршевого направления с учетом переменныхсвойств рабочей среды, в том числе и конденсации на стенках [61, 122],основанныйнаметодеконтрольногообъема.Поэтомувкачествеприменяемого метода был выбран ранее успешно применяемый методконтрольного объема.1.5.

Выводы по главе 1В результате проведенного анализа можно сделать следующие выводы:задача адекватного определения распределения давления, температур,величин и направлений потоков в сложных пневматических системах наэтапе проектирования является ключевой для надежности и эффективностиработы систем;проведенный обзор литературы показал, что не существует методарасчетапневматическихсистем,которыйбыдавалвозможностьпроектирования сложных разветвленных систем, в которых: присутствуетболее 3-х вложенных контуров; необходимо учитывать теплообмен по длинеканалов; присутствуют участки с переменным диаметром трубопровода;возможен источник/сток рабочей среды в узлах трубопроводов. Поэтомуактуальной задачей является разработка новой математической модели иметода расчета ПС;42в качестве критерия эффективности численного метода требуетсяпроведение сравнительного анализа с опубликованными в открытой печатиданными;в связи с проблемами с численной устойчивостью различных методовприрешениизадачбольшойразмерноститребуетсяпроведениеисследований определения влияния размерности задачи на точность методарасчета разветвленных ПС;в открытой литературе отсутствуют данные о пневматических игазовых системах, в которых проведены подробные исследования процессовтепло-имассообменамногоконтурнойдлятопологиисжимаемойрабочейрассматриваемойсредысистемы.сучетомПоэтомудляподтверждения результатов работы требуется проведение экспериментальнорасчетных исследований рабочих процессов в сложной многоконтурнойпневматической системе.Таким образом, на основе выводов при проведении литературногообзора можно сформулировать цель работы и соответствующие задачиисследования.Цель исследования:Созданиеметодарасчетаианализасложныхразветвленныхрасчетаразветвленныхпневматических систем.Задачи исследования: Разработкаматематическоймоделипневматических систем. Создание метода расчета разветвленных пневматических систем. Разработка алгоритма расчета разветвленных ПС и его реализация. Верификация метода расчета. Проведениечисленныхисследованийдляопределенияразмерности задачи на сходимость и точность метода расчета.влияния43 Проведениеэкспериментально-расчетныхисследованийрабочихпроцессов в разветвленной пневматической системе для подтверждениярезультатов работы. Применение разработанного метода для расчета пневматических систем.44ГЛАВА 2.

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВВ РАЗВЕТВЛЕННЫХ ПСЦелью разработки метода расчета является создание универсальногоинструмента расчета широкого круга разветвленных пневматических систем,позволяющего учитывать тепломассообмен с внешней средой и изменениесвойств рабочей среды.При разработке математической модели конкретная конструкциясистемы заменяется расчетной схемой, представленной как набор связей(каналов) и узлов (полостей) с соответствующим им набором техническихпараметров и характеристик. Далее определяются граничные условия дляконструкции в целом и свойства каждого элемента и узла модели.Этот подход позволяет решать сопряженные задачи тепло- имассообмена для произвольной разветвленной ПС.2.1.