Введение к работе
Актуальность работы. Определение параметров гранулометрического состава твёрдых частиц необходимо в различных областях науки и техники: при механической обработке с использованием технологических жидкостей, при производстве и анализе сыпучих материалов, в геологических исследованиях и др. Для него используется большой класс методов, например, ситовой метод, микроскопический анализ, нефелометрия.
Седиментационный анализ среди них выделяется широким диапазоном измеряемых частиц, низкой стоимостью, оперативностью, точностью. При этом седиментационный анализ технологических жидкостей (ТЖ), загрязняемых в процессе эксплуатации, не требует стадии смешивания частиц с жидкостью, неизбежной при исследовании сыпучих материалов.
Развитие программно реализованных численных методов и электронных устройств (использование цифровых изображений, численное моделирование гидродинамических процессов в средах реализующих методы конечных элементов) создало потенциал для совершенствования седиментационного анализа. Для измерения параметров сыпучих материалов неседиментационными методами разрабатываются и применяются аппаратно-программные системы обработки видеоизображений, но их использование в реализациях седиментационного анализа практически отсутствует.
Отличительной особенностью математических моделей седиментационного анализа является построение кривой накопления, представляющей собой монотонно возрастающую функцию изменения требуемого параметра примесей в процессе седиментации с течением времени. Внешне незначительные факторы и погрешности могут заметно проявляться на большом массиве частиц, поэтому при математической обработке данных процесса седиментации примесей возникает необходимость выполнить аппроксимацию кривой накопления заранее выбранной функцией, учитывающей физические, геометрические и другие особенностей массива примесей. От алгоритма аппроксимации во многом зависит точность результатов седиментационного анализа. Вследствие сложности аппроксимирующих функций в алгоритмах используются различные математические методы (например, метод скользящего допуска). Предложенные в диссертации численные методы аппроксимации данных процесса седиментации основаны на построении областей, с искомыми параметрами математических моделей, которые позволяют определить параметры примесей и доверительные интервалы для их значений в зависимости от погрешностей экспериментальных данных.
Другой недостаточно изученной областью седиментационного анализа, является обеспечение точности начального положения примесей, например, при равномерном распределении частиц в объёме пробы, которое рассматривается в диссертации. Многие разработчики включают в приборы специальные устройства для обеспечения требуемого пространственного расположения примесей перед экспериментом (например, устройства для формирования стартового слоя анализируемой жидкости в среде осаждения, перемешивающие устройства), но, в то же время, мало работ по численной оценке влияния таких устройств и их параметров. В седиментационном анализе искажения в положении частиц примесей перед экспериментом не позволяют учесть их истинную массу и размер, завышают параметры частиц тех размеров, которым соответствует искаженное положение примесей, и увеличивают диапазон погрешностей. Разработанный в данной работе алгоритм оптимизации параметров прибора седиментационного анализа (на основе предложенного способа перемешивания) позволяет обеспечить равномерность начального распределения частиц примесей и минимизировать остаточные течения жидкости после перемешивания.
Объектом исследований в диссертационной работе является технология проведения седиментационного анализа. Предметом исследований являются математические модели подготовки и проведения седиментационного анализа на основе обработки видеоизображений поверхности осаждения.
Цель работы. Моделирование и оптимизация процессов седиментационного анализа твёрдых примесей в технологических жидкостях (ТЖ) с применением видеоинформации и использование разработанных моделей в качестве теоретической основы при создании программного комплекса для определения параметров примесей (на примере оценки параметров загрязнённости смазочно-охлаждающих жидкостей СОЖ).
Задачи исследований, поставленные для достижения цели работы:
-
Разработать и алгоритмизировать математическую модель и численные методы для определения параметров гранулометрического состава твёрдых примесей в ТЖ с использованием в качестве регистрируемого параметра площади, занятой осевшими частицами в процессе их седиментации.
-
Разработать алгоритм обработки видеоизображений поверхности осаждения в процессе седиментации для определения площади, занимаемой осевшими частицами.
-
С использованием методов конечных элементов, реализованных в существующих программных системах, разработать имитационную модель процесса перемешивания пробы ТЖ с примесями, соответствующего стадии подготовки пробы к седиментационному анализу.
-
С использованием модели процесса перемешивания разработать и применить алгоритм оптимизации параметров прибора (формализовать критерии оптимизации, выделить определяющие параметры прибора, определить структуру их взаимосвязей и требуемых экспериментов).
-
Разработать программный комплекс, реализующий предложенные численные методы и алгоритм обработки видеоизображений, для вычисления занимаемой частицами примесей площади и определения параметров твёрдых примесей в ТЖ.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались методы математического и физического моделирования, объектно-ориентированные методы компьютерного программирования, экспериментальные исследования процессов седиментации примесей в ТЖ, имитационного и численного моделирования в программных пакетах, реализующих методы конечных элементов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработана математическая модель и предложены базирующиеся на ней численные методы для определения параметров примесей в ТЖ, которые позволяют определить параметры частиц и построить для их значений доверительные интервалы в зависимости от погрешностей данных эксперимента.
-
Разработан алгоритм определения занимаемой частицами площади по оценке информационной избыточности изображения поверхности осаждения, позволяющий учитывать нетипичные соотношения между яркостью частиц и жидкости в сложных условиях освещённости.
-
Разработана имитационная модель гидродинамических процессов при перемешивании пробы ТЖ, загрязнённой примесями, на основе вычислительных средств среды ANSYS. Разработанная модель позволяет количественно оценить влияние параметров прибора на степень подготовки пробы к седиментационному анализу.
-
Разработан алгоритм оптимизации параметров прибора для оценки загрязнённости ТЖ по критериям обеспечения равномерного объёмного распределения примесей на стадии подготовки пробы жидкости к седиментационному анализу при условии минимальной кинетической энергии течений жидкости.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель процесса седиментации частиц, с использованием занимаемой ими площади в качестве регистрируемого параметра.
-
Алгоритм определения параметров примесей и построения для них доверительных интервалов в зависимости от погрешностей данных процесса седиментации.
-
Алгоритм определения занимаемой частицами примесей площади на основе применения известных методов устранения информационной избыточности к изображению поверхности осаждения.
-
Имитационная модель процесса перемешивания для оценки влияния параметров прибора на степень подготовки пробы к седиментационному анализу.
-
Алгоритм оптимизации параметров прибора на основе имитационной модели процесса перемешивания.
-
Программный комплекс, разработанный для определения параметров примесей посредством взаимодействия с типовыми аппаратными средствами формирования видеоизображений.
Практическая и теоретическая значимость исследований. Полученные в работе результаты позволяют осуществить комплексный подход к повышению точности и информативности седиментационного анализа. Достигается это как внедрением в конструкцию прибора нового аппаратного компонента – цифровой видеокамеры, так и применением разработанных алгоритмов и численных методов оценки данных, полученных в процессе седиментации примесей в ТЖ.
Разработанные алгоритмы позволяют получить информацию о размере и количестве твёрдых примесей, необходимую для принятия эффективных решений при управлении процессом обработки деталей, особенно на производстве с требованиями к качеству поверхностного слоя изделий.
Результаты работы могут быть применимы в других отраслях при использовании методов седиментационного анализа.
Достоверность результатов исследования подтверждается следующим:
-
Экспериментальные и теоретические зависимости согласуются с фундаментальными законами и положениями теоретической механики.
-
Теоретические зависимости и результаты численных экспериментов подтверждаются экспериментальными данными.
3.Сравнительный анализ, проведённый с помощью эталонных порошков, подтверждает точность разработанных методов и прибора.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
-
X Международная конференция “Математическое моделирование физических, экономически, технических, социальных систем и процессов” (г. Ульяновск, 2009)
-
Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи "Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации" (г. Ульяновск, 2009)
-
Всероссийская научно-технической конференция аспирантов, студентов и молодых ученых "Информатика и вычислительная техника" (г. Ульяновск, 2010)
-
Всероссийская научно-практическая конференция "Актуальные проблемы современной науки и образования" (г. Ульяновск, 2010).
Личный вклад. Разработка новых моделей и алгоритмов, построение схем вычислительных экспериментов, программная реализация разработанных алгоритмов, анализ полученных результатов и обоснование выводов выполнены соискателем самостоятельно.
Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ, в том числе две – в изданиях из списка ВАК.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и двух приложений. Основной текст изложен на 168 страницах.
