Введение к работе
Актуальность темы. Использование современных подходов, методов и средств математического моделирования и разработка на их основе комплекса программно-алгоритмических мероприятий позволяют создавать сложные технические системы с улучшенными эксплуатационными характеристиками и решать такие первоочередные задачи, как, например, повышение энергоэффективности энергетических устройств, которое может быть достигнуто за счет создания принципиально нового оборудования, в частности, совмещенных преобразователей энергии. Очевидные достоинства таких устройств (упрощение конструкции за счет объединения приводных, передаточных, исполнительных механизмов и совмещения выполняемых ими функций; улучшение динамических и регулировочных характеристик; повышение надежности, экологичности и экономичности при производстве, транспортировании, хранении, эксплуатации и техническом обслуживании; существенное улучшение весогабаритных и других технико-экономических показателей) обусловливают широкий диапазон их применения. К возможным вариантам эксплуатации совмещенных энергетических устройств (СЭУ) относятся электроотопительные системы всех видов электрифицированного транспорта, источники децентрализованного отопления и горячего водоснабжения населенных пунктов.
Конструкционной основой СЭУ являются теплогенерирующие электромеханические преобразователи, в которых можно выделить два основных элемента: статор, состоящий из магнитопровода с размещенными на нем первичной обмоткой и неподвижным нагревательным элементом (ННЭ), и вращающийся в рабочем канале исполнительный элемент (ИЭ), содержащий короткозамкнутую вторичную обмотку (ротор), коаксиальный ферромагнитный элемент (ФМ) и напорные лопасти. Исследования и разработка таких устройств, нашедшие отражение в работах К.К. Кима,
С.Н. Иванова, В.М. Кузьмина и ряда других авторов, касаются в основном
улучшения теплового состояния статора, а вопросы, связанные с проектированием ИЭ, остаются практически не изученными. Одной из причин этого является сложность теоретического анализа процессов преобразования энергии, связанная с необходимостью одновременного учета электромагнитных, гидравлических и тепловых факторов.
Целью работы является разработка математических моделей, описывающих процессы тепло- и массообмена в совмещенных энергетических устройствах при вариации проектных параметров исполнительного элемента, обеспечивающих заданные выходные характеристики устройства.
Объект исследования: энергетические устройства, совмещающие функции электронагрева и транспортирования теплоносителя.
Предмет исследования: процессы тепло- и массопереноса в рабочих каналах совмещенных энергетических устройств.
Научная задача состоит в разработке и обосновании научно-практических основ математического моделирования процессов тепло- и массообмена в СЭУ с 3D-параметризованными исполнительными элементами. Для достижения поставленной цели и решения научной задачи осуществляется решение следующих подзадач:
-
Исследование процессов тепло - и массообмена в рабочем канале СЭУ аналитическими методами.
-
Идентификация проектных параметров и разработка методики проектирования параметрической 3D-модели ИЭ СЭУ.
-
Обоснование целевой функции и переменных для многофакторной модели параметров ИЭ СЭУ и моделирование поля скоростей в целевых зонах СЭУ.
-
Построение многофакторной математической модели выходных параметров СЭУ.
-
Анализ и оценка влияния проектных параметров ИЭ на эффективность СЭУ и разработка рекомендаций по их выбору при проектировании.
Методы исследований. В работе использованы положения теории конвективного тепло- и массообмена, подобия и размерностей, математической статистики, методы вычислительной математики, программирования, планирования эксперимента, электродинамики и обобщенного электромеханического преобразователя энергии, теплофизики, гидродинамики, физического и математического моделирования. Экспериментальные исследования проводились с использованием автоматизированного информационно-измерительного комплекса на основе набора виртуальных приборов ZETLAB. При выполнении работы использованы система параметрического проектирования T-FLEX CAD, программный статистический комплекс Statistica, система CFD SolidWorks Flow Simulation, оригинальное программное обеспечение, разработанное в среде Delphi.
Научная новизна работы:
получены аналитические модели процессов тепло- и массообмена в рабочем канале СЭУ с учетом конструкционных особенностей ИЭ;
предложен поисковый алгоритм исследования тепловых и гидравлических процессов в СЭУ с обоснованием характерных целевых зон на основе теории пограничного слоя;
проведен теоретический анализ физических процессов и обоснована возможность выбора среднего значения осевой составляющей абсолютной скорости в качестве функционала;
разработаны алгоритм и методика проектирования параметрической модели ИЭ, обеспечивающая возможность комплексных исследований в специализированных мультифизических программных средах;
получено семейство топологических поверхностей, визуализирующих процессы тепло- и массопереноса, и математические модели, позволяющие проектировать СЭУ с заданными выходными характеристиками.
Достоверность результатов обеспечивается: при вычислительном эксперименте адекватной постановкой задачи и сходимостью результатов
расчета; при статистической обработке экспериментальных данных применением апробированных методик обработки результатов полнофакторного эксперимента; при физическом моделировании использованием современных средств и приборов, обеспечивающих приемлемую погрешность измерения выходных характеристик СЭУ.
Теоретическая значимость работы: исследованы процессы тепло-и массообмена в рабочем канале СЭУ аналитическими методами; на основе теории пограничного слоя проведен анализ и определены характерные целевые зоны СЭУ; разработаны методологические основы определения степени влияния отдельных проектных параметров ИЭ и их комбинаций на распределение поля скоростей.
Практическая значимость работы: разработана параметрическая
сборочная 3D-модель ИЭ; применительно к задачам исследования составлен и зарегистрирован комплекс программ для расчета на ЭВМ; определены значимые параметры ИЭ и их комбинации на основе полнофакторного эксперимента; выработаны рекомендации по моделированию, параметризации, проектированию ИЭ; предложена конструкция с улучшенными эксплуатационными характеристиками, защищенная патентом РФ № 2451430 [6]; разработаны управляющие программы для станка с ЧПУ по изготовлению компонентов ИЭ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение в материалах: Международной научно-технической конференции «Электротехнические комплексы и системы» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2010 г.); научно-технической конференции «Математическое, вычислительное и информационное обеспечение технологических процессов и систем» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2010 г.); десятой Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.); II Международной
научно-практической конференции «Инновационные технологии в производстве, науке и образовании» (г. Грозный, 2012 г.); на седьмом Международном симпозиуме «Электрификация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов скоростного и высокоскоростного железнодорожного транспорта» (Элтранс-2013, г. Санкт-Петербург, 2013 г.).
Внедрение. Результаты диссертационной работы переданы в форме технической документации и методик расчетов на ОАО «Октябрьский электровагоноремонтный завод» для использования при проектировании и расчете перспективных систем обогрева пассажирских вагонов. Научные рекомендации и технические предложения автора использованы в проектно-конструкторской деятельности Филиала ОАО «Компания «Сухой» КнААЗ имени Ю.А. Гагарина» и Технопарка КнАГТУ для анализа современных типов совмещенных энергетических устройств и оценки возможности их промышленного освоения на предприятиях Дальнего Востока.
Результаты работы используются в учебном процессе в курсах дисциплин «Математическое моделирование процессов в технических системах», «Системы автоматизированного проектирования», «Программирование станков с ЧПУ».
Публикации. Основные результаты исследований, отраженные в диссертационной работе, опубликованы в 12 работах, которые включают 1 патент РФ, 4 свидетельства об официальной регистрации программ и 7 научных статей, 5 из которых опубликованы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
алгоритм исследования тепловых и гидравлических процессов;
аналитическая модель тепло- и массообмена в рабочем канале, учитывающая конструкционные особенности ИЭ;
результаты анализа физических процессов, оцениваемые по среднему значению осевой составляющей абсолютной скорости;
алгоритм проектирования и параметрическая модель, обеспечивающая возможность комплексных исследований процессов тепло- и массо-переноса в специализированных мультифизических программных средах;
результаты анализа моделируемых процессов при вариации параметров проектирования;
математические модели тепловых и гидравлических параметров, обеспечивающие проектирование ИЭ СЭУ с заданными характеристиками.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 119 наименований и пяти приложений. Содержит 212 страниц машинописного текста, 27 таблиц и 106 рисунков.
