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

2СодержаниеСтрОбщие сведения о диссертации……………………………………………………….3Глава 1. Обзор работ по направлению исследований диссертации………………...8Глава 2. Компьютерные модели трубопроводных систем…………………………152.1. Математическое моделирование течения жидкости в трубопроводныхсистемах………………………………………………………………………...152.2. Разработка компьютерных моделей для гидравлических систем……...192.3. Гидравлические режимы цирксистемы ТЭЦ ВАЗ………………............232.4. Модель цирксистемы Тольяттинской ТЭЦ……………………………...352.5. Использование компьютерной модели для исследования совместнойработы насосов с регулируемым и нерегулируемым приводом………...…..44Глава 3.

Математическая и компьютерная модель объединенной теплосети централизованного теплоснабжения г. Самары………………………………………...543.1. Компьютерная модель теплосети от Самарской ТЭЦ…………………..563.2. Компьютерная модель теплосети от Безымянской ТЭЦ………………..613.3. Компьютерная модель теплосети от Центральной отопительнойкотельной………………………………………………………………………..653.4. Компьютерная модель теплосети от Привокзальной отопительной котельной………………………………………………..………….......................693.5. Компьютерная модель теплосети от Самарской ГРЭС…………………763.6.

Объединенная компьютерная модель теплосети г. Самара…………….80Глава 4. Математическое моделирование тепловых и гидравлических процессовв движущихся жидкостях…………………………………………….........................844.1. Нахождение точного аналитического решения волнового уравненияпри гидравлическом ударе в круглой трубе………………………………….844.2. Теплообмен в турбулентном пограничном слое на основе полуэмпирической теории турбулентности……………………………………………..994.3.

Теплообмен в цилиндрическом канале при ламинарном течениижидкости………………………………………………………………………112Выводы……………………………………………………………………………….131Список публикаций………………………………………………………………….134Список используемой литературы………………………………………………….136Приложения…………………………………………………………………………..144Приложение 1. Акты внедрения…………………………………………..………...146Приложение 2. Комплекс программ для решения задач теплопроводности итепломассопереноса……………………………………………….………………...1483Общие сведения о диссертацииАктуальность 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 сверхмалыхзначений времени, а также для быстропротекающих процессов. Математическиемодели, основанные на параболических уравнениях переноса, выведенных из условия бесконечной скорости распределения потенциалов исследуемых полей, вуказанных временных интервалах оказываются несостоятельными. В связи с чем,разработка новых моделей переноса, учитывающих конечные скорости распространения потенциалов исследуемых полей, 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) совсем другой природы, которые описываются одинаковыми с исследуемыми процессами уравнениями.

Например, уравнения двух законов Кирхгофа, описывающих распределение потенциалов в электрических сетях, могутбыть успешно использованы для нахождения давлений и скоростей (расходов) вдвижущихся жидкостях.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 распределения потенциалов исследуемых полей, а также моделей, основанных на использовании4теории подобия, когда исследование требуемых явлений выполняется на объектахдругой 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, учитывая конечную скорость 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.Новые 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 давления при 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 распределенияэлектрического тока в проводниках.5. Разработаны компьютерные модели цирксистем Тольяттинской ТЭЦ иТЭЦ "ВАЗа", позволяющие выполнять мониторинг их текущего состояния, а также составлять планы реконструкции и построения новых участков.5На 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 некоторых 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 реконструкции и построения новых участков.5. 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 точнымирешениями, а также с результатами численных расчетов и натурных экспериментов.Практическая значимость1. Разработанные модели теплосети города Самара представлены в видекомплекса программ, позволяющих в режиме реального времени выполнять мониторинг тепловой сети с расчетом давлений, скоростей, расходов, потерь напора,затрат электроэнергии на привод насосов и прочего.62. 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 и 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 основеопределения фронта температурного возмущения и дополнительных граничныхусловий», а также при финансовой поддержке Министерства образования и наукиРФ в рамках базовой части государственного задания ФГБОУ ВПО «СамГТУ»(код проекта: 1273).Внедрение работы.