Предложения по сотрудничеству

Участие авторов в верификации и стандартизации предложенного критерия.

Совместные исследования по практическому применению и развитию разработанного подхода к проблемам идентификации режима течения в проточных системах.

Авторы

С.Л. Арсеньев — научный руководитель,

И.Б. Лозовицкий — старший исследователь,

Ю.П. Сирик — старший исследователь.

Физико-Техническая Группа
ул. Добролюбова 2, 29,
Павлоград, Днепропетровская область,
51400, Украина
E-mail: loz@inbox.ru, garyloz@mail.ru
Phone: (+38 05632) 38892, 40596

Цена

Цена работ определяется затратами, связанными с экспериментальными исследованиями по нормированию (стандартизации) критерия перехода и методологическим вкладом авторов в постановку и интерпретацию результатов экспериментов.

Нализ и оптимизация рабочих процессов энергосиловых установок

Область применения

Проведение анализа параметров, режимов, структур, расходных характеристик течения газа через проточные элементы и их системы в следующих областях техники:

• тепловые машины, энергоустановки, включая: поршневые машины — двигатели внутреннего сгорания, компрессоры, пневмомашины;
• газотурбинные агрегаты и двигатели, паросиловые и ядерные энергоустановки;
• сверхпроводящие энергоустановки и их линии электропередачи;
• химические аппараты, теплообменники холодильные машины, кондиционеры;
• системы транспортирования текучих сред, включая магистральные газовые трубопроводы, установки для переработки и сжигания природного газа, пневмотранспорт;
• пневматические и пневмогидравлические системы установок, машин, приборов;
• установки промышленной и гражданской вентиляции;

а также в биологии и медицине — анализ процессов в системах жизнедеятельности человека и животных.

Под проточными элементами мы понимаем: трубы, трубопроводы, насадки, сопла и т. п.

Проведение анализа проточных трактов и систем включает решение таких задач как:

• моделирование течений на основе вычислительного эксперимента;
• оптимизация рабочих процессов энергосиловых установок с учетом условий и ситуаций эксплуатации;
• диагностика отказов, резервов работоспособности и энерговесового совершенства опытных или эксплуатируемых образцов энергосиловых установок, их узлов и систем;
• техническая экспертиза проектов, интерпретация результатов экспериментальной отработки, оценка уровня рабочих параметров, особенностей функционального состояния перечисленных выше объектов.

Описание

Разработка новой обобщенной концепции классической физики в целом, и механики в частности, а также многодисциплинарный подход к проблеме течения как термомеханическому явлению, позволили найти аналитические решения базовых уравнений и выражения для частных физических закономерностей, определяющие динамику движения текучей среды, а также установить единое выражение для сопряжения механики и термодинамики. Авторами создана методологическая база для сопряжения основных закономерностей в единую информационную структуру в виде целостной понятийной модели движения вязкой сжимаемой текучей среды.

Формализация этой понятийной модели под управлением разработанной методологической базы позволила создать математическую модель течения эволюционного типа на основе аналитических методов решения, составить алгоритм, а затем базовую версию фортран-программыVeriGas, моделирующую движение вязкой сжимаемой текучей среды через проточные элементы и их системы.

Проточная система представляет собой набор осесимметричных проточных элементов, рассматриваемых как в отдельности, так и при последовательном соосном их соединении в общий проточный канал.

Решение задачи означает определение параметров состояния и движения газового течения и характерных геометрических и динамических параметров в трех зонах: зоне натекания (перед трубой), потоке в пределах трубы и зоне истечения (после трубы). Эти три зоны составляют Общую Динамическую Структуру течения, которая обеспечивает физическую корректность постановки задачи анализа газового течения.

Решение поставленной задачи состоит в качественном и количественном описании Общей Динамической Структуры течения в проточном элементе, системе в режиме вычислительного эксперимента.

Типовые исходные данные:

• структура проточной системы: эскиз и перечень составных частей;
• геометрические параметры проточной системы: D, L, , , ;
• начальная температура стенки проточной системы T_w;
• тип и теплофизические свойства материала стенки проточной системы: например, сталь 35, _w, c_w, _w при температуре стенки;
• тип и начальные параметры состояния газовых сред в пространствах давления и противодавления: например, продукты сгорания углеводородного топливаp₀, T₀, воздух p_h, T_h;
• теплофизические свойства газовых сред: c_p0, c_v0, R₀, k₀, ₀, ₀ и c_ph, c_vh, R_h, k_h, _h, _h в диапазоне величин параметров их состояния;
• агрегатное состояние, тип, температура и скорость движения среды, омывающей проточную систему снаружи: например, жидкость, вода, T_e, W_e;
• теплофизические свойства внешней среды: _e, c_e, _e, _e.

Основные методологические положения решения задач газовой динамики по анализу и оптимизации параметров проточных систем:

Факторы сопровождающие движение:

• шероховатость стенки проточного элемента;
• площадь проточного сечения;
• трение (в соответствии с диаграммой Коулбрука);
• изменение режима течения потока;
• теплообмен газового потока со стенками проточной системы:
• отсутствует (адиабата);
• установившийся (стационарный) теплообмен;
• нестационарный теплообмен.

Диапазон величин начальных параметров состояния газовых сред — перепадов давления и температуры (подкритический 1, подкритический 2, критический, надкритический, сверхнадкритический) — без ограничения величины.

Пространственная постановка: одномерное и осесимметричное течение со средней по расходу скоростью.

Временная постановка решения: исходные и искомые параметры состояния и движения выражены через их среднеквадратические величины (взамен амплитудных, что предусмотрено на последующих этапах развития программного комплекса VeriGas).

Система единиц: Си и техническая система единиц МКГСС.

Некоторые ключевые положения новой теории течения текучей среды изложены в статьях авторов:

2.1. С.Л. Арсеньев, И.Б. Лозовицкий, Ю.П. Сирик, “Газовая динамика проточных систем. Часть 1: Статический напор в проточном элементе” / S.L. Arsenjev, I.B. Lozovitski, Y.P. Sirik, “The flowing system gasdynamics. Part 1: On static head in the pipe flowing element”,http://arXiv.org/abs/physics/0301070, 2003.

2.2. С.Л. Арсеньев, И.Б. Лозовицкий, Ю.П. Сирик, “Газовая динамика проточных систем. Часть 2: Решение уравнения сохранения количества движения Эйлера” / S.L. Arsenjev, I.B. Lozovitski, Y.P. Sirik, “The flowing system gasdynamics. Part 2: Euler's momentum conservation equation solution”,http://arXiv.org/abs/physics/0302020, 2003.

2.3. С.Л. Арсеньев, И.Б. Лозовицкий, Ю.П. Сирик, “Газовая динамика проточных систем. Часть 3: Современная форма формулы Сен-Венана – Ванцеля” / S.L. Arsenjev, I.B. Lozovitski, Y.P. Sirik, “The flowing system gasdynamics. Part 3: Saint-Venant – Wantzel's formula modern form”,http://arXiv.org/abs/physics/0302038, 2003.

2.4. С.Л. Арсеньев, И.Б. Лозовицкий, Ю.П. Сирик, “Газовая динамика проточных систем. Часть 4: Влияние скорости набегающего потока на выходную скорость из проточного элемента” / S.L. Arsenjev, I.B. Lozovitski, Y.P. Sirik, “The flowing system gasdynamics. Part 4: Influence of the incident flow velocity on the outflow velocity out of flowing element”,http://arXiv.org/abs/physics/0302083, 2003.

2.5. С.Л. Арсеньев, И.Б. Лозовицкий, Ю.П. Сирик, “Уравнение состояния для газового потока” / S.L. Arsenjev, I.B. Lozovitski, Y.P. Sirik, “The gas equation for stream”,http://arXiv.org/abs/physics/0303018, 2003.

2.6. С.Л. Арсеньев, И.Б. Лозовицкий, Ю.П. Сирик, “Критерий стабильности ламинарного режима течения и турбулентность в трубе” / S.L. Arsenjev, I.B. Lozovitski, Y.P. Sirik, “The laminar flow instability criterion and turbulence in pipe”, http://arXiv.org/abs/physics/0303071, 2003.

2.7. С.Л. Арсеньев, И.Б. Лозовицкий, Ю.П. Сирик, “Явление граничного и континуального переноса в жидких средах и течениях” / S.L. Arsenjev, I.B. Lozovitski, Y.P. Sirik, “The boundary and continual transfer phenomena in fluids and flows”, http://arXiv.org/pdf/physics/0304017, 2003.

2.8. С.Л. Арсеньев, И.Б. Лозовицкий, Ю.П. Сирик, “Решение первой задачи газовой динамики: параметры, структуры, расходные характеристики газового потока для трубы, насадка” / S.L. Arsenjev, I.B. Lozovitski, Y.P. Sirik, “The Gasdynamics First Problem Solution: The Gas Stream Parameters, Structures, Metering Characteristics for Pipe, Nozzle”,http://arXiv.org/abs/physics/0306160, 2003.

В целом теоретические основы движения текучей среды изложены в неопубликованной монографии: С.Л. Арсеньев “Сравнительная динамика течений”, 223 с., 1990.

Преимущества

Разработанные основы Общей Теории Течения (ОТТ) позволяют объяснить с единых позиций и детерминистически любые особенности состояния и движения текучей среды. Метод Физического Ансамбля является эффективным инструментом построения и развития эволюционной математической модели течения на аналитической основе. В рамках ОТТ физическая содержательность концепции обеспечила свободу от традиционного математического формализма и злоупотребления численными методами, от экспериментальной эмпирики с ее коэффициентами и кладет конец парадоксам в динамике течения вещества во всех агрегатных состояниях. Создание основ ОТТ открыло возможность планомерного и продуктивного интенсивного развития этой актуальной области технической физики.

Общее аналитическое решение уравнения сохранения энергии для вязкого сжимаемого потока текучей среды в стационарных условиях [2.1] и общее аналитическое решение дифференциального уравнения сохранения количества движения по Эйлеру (1755) для вязкого сжимаемого потока в нестационарных условиях [2.2] позволили впервые получить алгебраическое и интегральное выражения для закона распределения статического напора вдоль длины трубы. Эти выражения позволили адекватно представить распределение основных параметров газового потока вдоль проточного элемента.

Разработанная авторами современная модификация формулы Сен-Венана – Ванцеля (1839) для скорости истечения газового потока из проточного элемента [2.3] впервые гармонично сочетает в себе механику контактного взаимодействия газового потока со стенкой проточного элемента и термодинамику газовой среды. Полученная модификация известной формулы позволила освободить расчет от коэффициентов скорости и расхода, от нефизического политропического процесса и обеспечить точное аналитическое определение параметров состояния и движения газового потока через проточный элемент, систему.

Закон распределения статического напора по длине проточного элемента [2.1, 2.2] и модифицированная формулаСен-Венана – Ванцеля [2.3] позволили впервые физически корректно на аналитической основе учесть как изолированное, так и совместное влияние перепада давления, приложенного к проточному элементу и скорости газовой среды, набегающей на проточный элемент, на скорость истечения газа из проточного элемента [2.4].

Впервые представленное уравнение состояния для газового потока [2.5] как аналог известного уравнения состояния газа в статических условиях(Клайперон-Менделеев, 1874) обеспечивает связь объемного и весового расходов при изменении температуры и давления системы “поток-проточный элемент”.

Новый теоретический подход к проблеме устойчивости структур и форм движения позволил установить критериальное выражение для прогнозирования перехода ламинарного течения к турбулентному (Hagen, 1854) [2.6]. Установленный критерий впервые позволяет учесть влияние любых физических факторов на переход ламинарного течения к турбулентному.

Впервые даны количественные выражения для оценки интенсивности явлений переноса энергии и массы — теплопроводности, вязкости, диффузии (Gibbs, 1902), теплообмена — для термически неравновесной и неоднородной текучей среды [2.7]. В отличие от классических выражений молекулярно-кинетическойтеории, установленные выражения обеспечивают правильную и точную оценку явлений переноса в естественных условиях и технических процессах.

Многодисциплинарный подход на качественно новой основе позволил обеспечить физическую адекватность математической модели движения реального газа с учетом существенной нелинейности изменения параметров газового потока и расходной характеристики проточной системы при любой температуре и давлении. Исследование эволюционного изменения структур движения газа в проточном элементе, системе и струе, истекающей из него, позволило установить 15 теоретически возможных и практически реализуемых структур [2.8], определяющих характер и параметры течения газа.

Результаты вычислительного эксперимента, представленные в статье [2.8], демонстрируют полное превосходство над современными программными средствами аналогичного назначения и превосходят результаты известных экспериментов и расчетов по объему, виду и точности результирующей информации. Авторы предложили современный стандарт результирующей информации при анализе газодинамических параметров проточных систем.

Благодаря новой теоретической основе предлагаемаяпрограмма-моделировщик VeriGas не имеет аналогов по технической эффективности и экономическому показателю.

VeriGas обеспечивает решение задачи о стационарном течении газа через проточный элемент, систему в считанные секунды даже при использовании компьютера 486 модели.

Стадия разработки

Развитие основ ОТТ, созданный метод построения и развития эволюционной математической модели вязких сжимаемых течений на строгой аналитической основе, опыт построения и развития такой математической модели, опыт создания, отладки и верификации программы для реализации вычислительного эксперимента в сочетании с многолетним опытом экспериментальной отработки высокотемпературных энергосиловых установок обеспечили планомерное решение следующих задач о течении вязкой сжимаемой среды — газа через проточные элементы и их системы:

• установлен физически корректный критерий перехода ламинарного течения в турбулентное для потока текучей среды;
• установлено влияние температурного напора на коэффициенты теплопроводности, теплообмена, теплопередачи, вязкости, диффузии;
• установлено явление температурной стратификации текучей среды;
• точное аналитическое решение задачи о движении газа с трением при подкритическом перепаде давления без теплообмена (адиабатическое течение) в проточном элементе;
• точное аналитическое решение задачи о движении газа с трением при внезапном и плавном изменении площади поперечного сечения проточного элемента на его входе, внутри и на выходе из него;
• точное аналитическое решение задачи о движении газа в зоне натекания — перед проточным элементом; форма, размеры зоны натекания, параметры состояния и движения газа;
• точное аналитическое определение критического перепада давления для конкретного проточного элемента, системы и параметров состояния и движения газового потока;
• точное аналитическое решение задачи о структуре газового потока при надкритическом перепаде давления: параметры состояния и движения, определение размеров ядра потока (текущий диаметр, длина) и положения сечения М=1 в ядре;
• точное аналитическое решение задачи о сверхнадкритическом перепаде давления для конкретного проточного элемента, системы: параметры состояния и движения газа в зоне натекания — перед проточным элементов, в самом проточном элементе и в струе, вытекающей из него; определение структуры и размеров струи;
• точное аналитическое решение задачи о движении газа с трением и сопряженным конвективным теплообменом при подкритическом перепаде давления в стационарной и нестационарной постановке;
• точное аналитическое решение задачи об определении расходной характеристики для конкретного проточного элемента, системы (при любых перепадах давления — в наших расчетах нет коэффициентов скорости и расхода (см. п. 2.3);
• точное аналитическое решение обратной задачи газовой динамики: определение формы проточного элемента по заданному перепаду давления, соответствующему наступлению сверхнадкритического истечения.

Создан принципиально новый метод построения аналитической эволюционной математической модели течения — метод Физического Ансамбля. Построена аналитическая эволюционная математическая модель.

Составлена и отлажена программа-моделировщик VeriGasдля внутренний газовых течений. Программа-моделировщиквязких сжимаемых течений — это первый практический результат малой части теоретических исследованийФизико-Технической Группы, но это — уже первый физически адекватный инструмент для инженера.

Верификация программы проведена путем решения известных прямых и обратных задач газовой динамики.

Разработка и совершенствованиепрограммы-моделировщика VeriGas проводится специалистами ФТГ непрерывно, начиная с 1994 года.

Программа-моделировщик VeriGas разработана авторами инициативно, независимо и конфиденциально и легализована как “ноу-хау” Физико-Технической Группы фирмой “УКРСПЕЦПОСТАЧ” (Павлоград, Украина) для предоставления заказчикам права пользования на основе лицензионного соглашения.

В настоящее время авторы разрабатывают точное аналитическое решение существенно нестационарной термомеханической задачи “бак-труба” в различных постановках, наиболее соответствующее моделированию газодинамических процессов широкого класса тепловых машин.

Поиск по сайту: