Автореферат (Разработка математических и компьютерных моделей переноса тепла, массы, импульса для систем тепло- и водоснабжения)

На правах рукописиБранфилева Анастасия НиколаевнаРАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ И КОМПЬЮТЕРНЫХМОДЕЛЕЙ ПЕРЕНОСА ТЕПЛА, МАССЫ, ИМПУЛЬСАДЛЯ СИСТЕМ ТЕПЛО − И ВОДОСНАБЖЕНИЯСпециальность: 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехникаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква 2015Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Самарский государственный технический университет» на кафедре «Теоретические основы теплотехники и гидромеханика»Научный руководитель:доктор технических наук, доцентСтефанюк Екатерина ВасильевнаОфициальные оппоненты:Карташов Эдуард Михайлович, заслуженныйдеятельнаукиРФ,докторфизикоматематических наук, профессор кафедры высшей и прикладной математики при институтетонких химических технологий ФГБОУ ВО«Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники иэлектроники»Формалев Владимир Федорович, заслуженныйдеятельнаукиРФ,докторфизикоматематических наук, профессор кафедры вычислительной математики и программированияФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»Ведущая организация:ФГАОУ ВО «Самарский государственныйаэрокосмический университет имени академика С.П.

Королёва (национальный исследовательский университет)»Защита состоится 18 марта 2016 г.в 10:00 на заседании диссертационногосовета Д 212.157.04 при ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250,г. Москва, ул. Красноказарменная, д.17, корп. Т, кафедра Инженерной теплофизики им. В.А.

Кириллина, ауд. Т − 206.С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотекеФГБОУ ВО НИУ «МЭИ» и на сайте www.mpei.ru.Автореферат разослан «___» _______ 2015 г.Отзывы на автореферат (в двух экземплярах) с подписями, заверенные печатьюучреждения, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ».Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.157.04кандидат технических наукА.К.

Ястребов3Общая характеристика работыАктуальность работы. Математическое и компьютерное моделированиепроцессов переноса тепла, массы и импульса является неотъемлемым компонентом многих научных и прикладных исследований, охватывающих широкие области использования во многих отраслях промышленности. В связи с интенсификацией производства возникает необходимость их исследования для сверхмалых значений времени, а так же для быстропротекающих процессов.

Математические модели, основанные на параболических уравнениях переноса, выведенных из условия бесконечной скорости распространения потенциалов исследуемых полей, в указанных временных интервалах оказываются несостоятельными.В связи с чем, разработка новых моделей переноса, учитывающих их нелокальность, является актуальной проблемой.Математические модели переноса массы, импульса, а также конвективноготеплопереноса, основанные на дифференциальных уравнениях Навье – Стокса иконвективного теплообмена, несмотря на многочисленные допущения, крайнесложны и могут быть исследованы лишь численными методами при использовании высокопроизводительной компьютерной техники. В этой связи весьма перспективным является направление исследований, связанное с применением теории подобия, когда исследование каких – либо процессов выполняется на объектах (явлениях) другой природы, которые описываются одинаковыми с исследуемыми процессами уравнениями.

Например, уравнения двух законов Кирхгофа,описывающих распределение потенциалов в электрических сетях, могут бытьиспользованы для нахождения давлений и скоростей (расходов) в движущихсяжидкостях.Тему работы, связанной с решением указанных проблем, следует признатьактуальной.Цель работы заключается в разработке новых математических моделей переноса тепла, массы и импульса с учетом конечных скоростей распределенияпотенциалов исследуемых полей, а также моделей, основанных на использовании теории подобия, когда исследование требуемых явлений выполняется наобъектах другой физической природы, аналогичных исследуемым.Задачи, решаемые в диссертации1.

Создание математических и компьютерных моделей переноса импульса вжидкостях, движущихся в сложных трубопроводных системах.2. Нахождение аналитического решения краевой задачи колебаний упругойжидкости при гидроударе в трубопроводе, с учётом конечной скорости распространения потенциалов исследуемых полей.3. Получение математической модели температурного пограничного слоя,формирующегося в турбулентном динамическом пограничном слое.4. Разработка компьютерной модели объединенной теплосети г. Самара.5. Разработка компьютерных моделей циркуляционных систем ТЭЦ "ВАЗа"и Тольяттинской ТЭЦ.4Новые научные результаты1.

Применительно к сложным трубопроводным сетям разработаны математические и компьютерные модели распределения давления в движущейся жидкости, основанные на аналогии исследуемых гидравлических процессов с распределением напряжения в электрических сетях.2. Для гиперболического уравнения, описывающего распределение давленияпри гидроударе в трубе, учитывая конечную скорость распространения потенциалов, найдено точное аналитическое решение.3. Используя понятие фронта теплового возмущения и дополнительных граничных условий, найдено аналитическое решение краевой задачи теплообменадля теплового турбулентного пограничного слоя.4. Создана компьютерная модель объединенной тепловой сети г.

Самара, основанная на аналогии течения жидкости в трубопроводах и распределения электрического тока в проводниках.5. Разработаны компьютерные модели цирксистем Тольяттинской ТЭЦ иТЭЦ "ВАЗа", позволяющие выполнять мониторинг их текущего состояния, атакже составлять планы реконструкции и построения новых участков.На защиту выносятся:1. Математические и компьютерные модели переноса импульса в движущихся жидкостях для сложных трубопроводных систем, основанные на аналогиираспределения давления в трубопроводах и электрического тока в проводниках.2. Аналитическое решение задачи теплообмена для турбулентного пограничного слоя, основанное на использовании фронта теплового возмущения и дополнительных условий, задаваемых на границе фронта и на поверхности стенки.3.

Математическая модель колебаний упругой несжимаемой жидкости, позволяющая выполнять анализ распределения скорости и давления при гидроударе, учитывая конечную скорость распространения импульса.4. Компьютерная модель тепловой сети города Самара, позволяющая выполнять анализ её текущего состояния, а также разрабатывать планы реконструкциии построения новых участков5. Компьютерные модели цирксистем Тольяттинской ТЭЦ и ТЭЦ "ВАЗа",позволяющие определять причины их малой эффективности, а также разрабатывать мероприятия по реконструкции.6. Комплекс программ, реализующих разработанные в диссертации модели(математические и компьютерные).Достоверность результатов подтверждается соответствием разработанныхавтором диссертации теоретических моделей физическим процессам, протекающих в конкретных технических устройствах, сравнением с известными точными решениями, а так же с результатами численных расчетов и натурных экспериментов.Практическая значимость1.

Разработанные модели теплосети города Самара представлены в видекомплекса программ, позволяющих в режиме реального времени выполнять мо-5ниторинг тепловой сети с расчетом давлений, скоростей, расходов, потерь напора, затрат электроэнергии на привод насосов и прочего.2. Построенные в диссертации модели цирксистем Тольяттинской ТЭЦ иТЭЦ "ВАЗа" позволяют определять основные причины их малой эффективности, а также разрабатывать рекомендации по увеличению расходных характеристик.Связь диссертации с государственными программами планами научныхисследований. Исследования выполнялись в соответствии с Аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы» по тематическому плану НИР №551/02 «Разработка нового направления получения аналитических решений краевых задач математической физики на основе определения фронта температурного возмущения и дополнительных граничных условий», а также при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части государственного задания ФГБОУ ВПО«СамГТУ» (код проекта: 1273).Внедрение работы.

Результаты диссертации были использованы при выполнении энергоаудита объектов Самарского государственного техническогоуниверситета в период с 01.02.2011 по 31.12.2012 гг., а также при проведениихоздоговорных работ с ВоТГК, связанных с разработкой и внедрением компьютерных моделей перечисленных выше тепловых сетей и циркуляционных систем.

Экономический эффект внедрения составляет 1 млн. 800 тыс. руб.Апробация диссертации. Наиболее важные положения диссертации былиапробированы на: IX Всероссийской научной конференции с международным участием "Математическое моделирование и краевые задачи" (г. Самара, 2013 г.). Международной научно − технич.

конф."Математические методы и модели: теория, применение и роль в образовании" (28 − 30 апреля 2014 г.).г. Ульяновск. Четвертой международной научно − технич. конф."Математическая физика и ее приложения" (г. Самара, 25 августа − 1 сентября 2014 г.) Объединённом научном семинаре Теплоэнергетического факультета Самарского государственного технического университета.

Самара, 2015 г..Публикации. Содержание работы опубликовано в 15 печатных работах, изних 8 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК.Личный вклад автора. В работах [1 − 8, 15] автор принимал участие в постановке задач, выполнял расчетные работы. В работах [9 – 14] автору в равнойстепени с соавторами принадлежит выполнение математических постановок задач, нахождение решений и анализ полученных данных.Структура и объем диссертации. Работа включает введение, четыре главы, выводы, список используемых литературных источников, приложения; изложена на 143 страницах основного текста (не считая приложений), содержит 69рисунков. Список литературы содержит 96 наименований.6В первой главе приведен обзор работ по избранному направлению исследований диссертации.