Содержание к диссертации
Введение 6
Глава 1. Анализ процесса идентификации двухфазных парожидкостных потоков
внутри горизонтальных труб 12
1.1. Идентификация режимов течения двухфазных парожидкостных потоков... 12
1.2. Режимы течения двухфазных парожидкостных потоков внутри
горизонтальных труб 14
1.3. Диаграммы режимов течения 17
Диаграмма А. А. Малышева 18
Диаграмма Baker 18
Диаграмма Soliman и Azer 19
Диаграмма Бребера 19
Диаграмма Тандона 19
Диаграмма Ван Дер Ягта 20
Диаграмма Mandhane 20
Диаграмма Тейтеля и Даклера 21
1.3.9. Согласование названий режимов течения при идентификации с
использованием фазовых диаграмм режимов течения 22
1.4. Обзор методов идентификации режимов течения с использованием
экспериментальных данных 24
Метод сравнения с прототипом 24
Метод /С-ближайших соседей 25
Алгоритмы вычисления оценок 26
Коллективы решающих правил 27
Вероятностные методы 27
Сравнение методов идентификации по экспериментальным данным.... 28
1.5. Автоматизированные системы поддержки принятия решений для
идентификации режимов течения двухфазных парожидкостных потоков 29
1.6. Выводы по первой главе 31
Глава 2. Математическая модель идентификации режимов течения двухфазных
парожидкостных потоков 33
2.1. Объект моделирования 35
Процесс идентификации режимов течения 35
Процесс согласование режимов течения при идентификации 35
Входные параметры модели 37
Выходные параметры модели 37
Функции перевода 38
2.4.1. Идентификация режимов течения с использованием фазовых диаграмм
методом 5-окрестности 38
Постановка задачи 38
Стратегия решения задачи 38
Процедура решения задачи 38
Описание метода 39
2.4.2. Нормирование критериев фазовых диаграмм режимов течения 43
2.4.3. Модифицированный К-БС-метод идентификации режима течения по
экспериментальным данным 44
Постановка задачи 45
Стратегия решения задачи 45
Процедура решения задачи 45
Описание метода 45
2.5. Правила вывода 47
2.5.1. Использование продукционных правил для учета мнений экспертов при
идентификации режимов течения с использованием фазовых диаграмм 47
2.5.2. Согласование результатов идентификаций режимов течения с
использованием нескольких фазовых диаграмм режимов течения 49
2.5.3. Совместная идентификация режимов течения с применением фазовых
диаграмм режимов течения и экспериментальных данных по режимам течения
52
2.6. Выводы по второй главе 52
Глава 3. Алгоритмическое обеспечение процесса идентификации режимов течения
двухфазных парожидкостных потоков в горизонтальных трубах 54
Язык описания алгоритмов 54
Структуры и типы данных 55
3.3. Алгоритм идентификации режимов течения с использованием фазовых
диаграмм методом 5-окрестности 57
Алгоритм расчета критериев фазовых диаграмм режимов течения 59
Алгоритм выполнения нормирования критериев диаграммы 62
Алгоритм применения продукционных правил согласования 63
Алгоритм МК-БС-метода 66
Алгоритм выполнения согласования результатов идентификации по схеме Шортлиффа 69
3.6. Общий алгоритм совместной идентификации режимов течения с
совместным использованием фазовых диаграмм режимов течения и
экспериментальных данных 71
3.7. Выводы по третьей главе 73
Глава 4. Автоматизированная система поддержки принятия решений
идентификации режимов течения двухфазных парожидкостных потоков внутри
горизонтальных труб 74
Функциональная модель системы 74
Прецедентная модель системы 76
Логическая модель системы 77
Представление данных и знаний 78
Представление фазовых диаграмм режимов течения 79
Представление экспериментальных данных по режимам течения 81
4.4.3. Представление продукционных правил для корректировки размера
5-окрестности 82
4.5. Идентификация режимов течения при помощи автоматизированной СППР82
4.5.1. Ввод оперативных данных и выбор используемых методов
идентификации 83
4.5.2. Просмотр данных по фазовым диаграммам режимов течения 85
Ввод и корректировка экспериментальных данных по режимам течения 86
Ввод и корректировка продукционных правил 87
Ввод и корректировка справочных данных 88
4.6. Проверка достоверности разработанной модели и автоматизированной
СППР 91
4.7. Выводы по четвертой главе 93
Основные выводы и заключение 94
Список сокращений и условных обозначений 95
Библиографический список использованной литературы 96
Приложение 1. Фазовые диаграммы режимов течения 108
Приложение 2. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ
«Программа идентификации режима течения двухфазного потока» 113
Приложение 3. Акт об использовании результатов научной работы в учебном
процессе 115
Приложение 4. Акт о внедрении на предприятии ООО «Торговый дом «Холод» 117
Приложение 5. Акт о внедрении на предприятии АФ 000 «ЛУКОЙЛ-
Нижневолжскнефтепродукт» 119
Введение к работе
Во многих отраслях промышленности (химической, нефтегазовой, нефтеперерабатывающей и пищевой) применяется технологическое теплообменное оборудование с внутритрубным движением двухфазных парожидкостных потоков.
Спектр использующегося теплообменного оборудования необычайно широк. В России и в мире увеличивается количество проектируемых теплообменных аппаратов с внутритрубным движением парожидкостных потоков. В первую очередь, это испарители, конденсаторы, испарители-конденсаторы. Данные теплообменные аппараты используются в сложных технологических установках, таких как холодильные машины, тепловые насосы, льдогенераторы, снежные пушки, подогреватели, системы кондиционирования воздуха, котельные установки и т. д.
По данным Федеральной службы государственной статистики в последние пять лет происходит постоянное увеличение производства теплообменных устройств, промышленного холодильного оборудования и оборудования для кондиционирования воздуха (ОКВЭД 29.23.1); за тот же период увеличено производство холодильников и бытовых морозильников с 1327 тыс. шт. в 2000 г. до 2589 тыс. шт. в 2004 г.
Специалисты компании PRADO Marketing [20] прогнозируют постоянный и неуклонный рост рынка промышленного холода (емкость которого составляет более 200 млн долл.). Об этом свидетельствуют как оценка изменения объема рынка, так и мнения большинства поставщиков оборудования и его потребителей. По данным организаций [37], поставляющих холодильное оборудование и системы, имеет место ежегодный рост холодильных емкостей, построенных по последнему слову техники и объемно-планировочных решений, в пределах 40— 60 %.
О росте спроса на разнообразное теплообменное оборудование, применяющееся в различных отраслях промышленности, можно судить по увеличивающимся индексам производства машин и оборудования, пищевых продуктов и химического производства.
Знания о режимах течения двухфазных парожидкостных потоков необходимы для проектирования, конструирования и расчета современного теплообменного оборудования, потому что одним из основных факторов, влияющих на теплоотдачу (а следовательно, и площадь теплообменной поверхности), является режим течения потока [8, 56,62, 70, 120].
Прогнозирование режимов течения необходимо для качественного решения задачи нахождения коэффициента теплоотдачи [24, 61, 94, 111]. Несмотря на существование большого числа методов наблюдения и описания режимов течения, единого подхода к классификации режимов течения так и не сформировалось [18, 25, 68, 84, 109]. Самым распространенным, и в то же время простым вариантом идентификации режимов течения двухфазных парожидкостных потоков в горизонтальных трубах является применение фазовых диаграмм режимов течения [64]. Но, при использовании различных диаграмм возникает проблема противоречия результатов идентификации [8, 6, 43, 56, 82, 87, 106], и требуется выполнять согласование результатов идентификации режимов течения, полученных с применением различных диаграмм.
Актуальность работы. Существующие в настоящее время методы идентификации режимов течения двухфазных парожидкостных потоков являются недостаточно достоверными, отсутствует математическая модель идентификации и согласования результатов идентификации режимов течения двухфазных парожидкостных потоков, учитывающая противоречия и несогласованности, возникающие в процессе идентификации, отсутствуют программные средства для идентификации режимов течения двухфазных парожидкостных потоков, реализующих вышеупомянутый подход.
Разработка математической модели идентификации режимов течения двухфазных парожидкостных потоков и создание на ее основе программной системы позволит улучшить качество и сократить сроки проектирования и конструирования теплообменного оборудования.
Объектом исследования является процесс идентификации режимов течения двухфазных парожидкостных в горизонтальных трубах теплообменных аппаратов.
Предмет исследования— методы, модели и алгоритмы обработки информации и правила принятия решений при идентификации и согласовании результатов идентификации режимов течения двухфазных парожидкостных потоков в горизонтальных трубах.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение достоверности идентификации режимов течения двухфазных парожидкостных потоков за счет использования разработанной математической модели, методов, алгоритмов и программных средств.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе осуществляется решение следующих задач:
Проведение анализа существующих методов решения задачи идентификации режимов течения двухфазных парожидкостных потоков, анализа современного математического аппарата и программного обеспечения для идентификации режимов течения.
Разработка математической модели идентификации режимов течения.
Разработка методов совместной идентификации и согласования результатов идентификации режимов течения с использованием фазовых диаграмм режимов течения и экспериментальных данных.
Разработка алгоритмов, реализующих разработанную модель и методы.
Выбор принципов построения и разработка структуры автоматизированной системы поддержки принятия решения (СППР) при идентификации режимов течения двухфазных парожидкостных потоков.
Создание системы поддержки принятия решения для идентификации и согласования результатов идентификации режимов течения на основе вышеуказанной модели и методов.
Методы исследования. Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели использованы методы математического моделирования, системного анализа, теории принятия решений, теории множеств, теории вероятностей.
Научная новизна. В ходе проведенного диссертационного исследования были получены следующие результаты, характеризующие его научную новизну:
Разработана математическая модель, формализующая процесс идентификации режимов течения двухфазных парожидкостных потоков в горизонтальных трубах теплообменных аппаратов, позволяющая на основе математических соотношений и продукционных правил получить выводы, адекватные экспериментальным исследованиям.
Разработан метод совместной идентификации и согласования результатов идентификации режимов течения с использованием фазовых диаграмм режимов течения и экспериментальных данных, позволяющий повысить степень достоверности результатов идентификации режимов течения.
Модифицирован метод К-ближайших соседей (К-БС) для классификации экспериментальных данных, что позволило учитывать вероятность корректной идентификации режимов течения и выполнять совместную идентификацию с применением фазовых диаграмм режимов течения и экспериментальных данных.
Разработана модель автоматизированной системы поддержки принятия решений для идентификации и согласования результатов идентификации режимов течения двухфазных парожидкостных потоков, позволяющая выполнить проектирование автоматизированной системы поддержки принятия решений.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:
Разработана автоматизированная СППР идентификации и согласования результатов идентификации режимов течения двухфазных парожидкостных потоков, позволяющая оперативно производить идентификацию режимов течения на ЭВМ в соответствии с разработанной математической моделью.
Результаты работы использованы для выполнения расчетов теплообменного оборудования на предприятии, эксплуатирующем холодильные установки и предприятии нефтяной промышленности.
Предложенная модель и принцип построения СППР используются в учебном процессе вуза при преподавании дисциплин, связанных с изучением методов искусственного интеллекта и интеллектуальных информационных систем.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы отражены в 17 опубликованных научных работах, в том числе в 6 статьях в периодических и научно-технических изданиях, выпускаемых в Российской
Федерации, в которых ВАК рекомендует публикацию основных научных результатов диссертаций.
Основные положения докладывались и обсуждались на III и IV Всероссийских научно-практических конференциях «Информационные технологии и математическое моделирование» (Анжеро-Судженск, 2004 г., 2005 г.), III Всероссийской конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2005 г.), XVIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Казань, 2005 г.), третьей Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука— региону» (Вологда, 2005 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (Улан-Удэ, 2005 г.), Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Электронный университет как условие устойчивого развития региона» (Астрахань, 2005 г.), Международной конференции, посвященной 75-летию со дня образования Астраханского государственного технического университета (Астрахань, 2005 г.), X Всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество молодежи» (Анжеро-Судженск, 2006 г.)
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка литературы из 122 наименований и 5 приложений. Общий объем работы 120 страниц машинописного текста, который включает 21 рисунок, 17 таблиц и 36 формул.
Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования.
В первой главе приводится обзор работ, посвященных исследованию идентификации режимов течения двухфазных парожидкостных потоков, производится анализ фазовых диаграмм режимов течения, методов идентификации режимов течения на основе классификации экспериментальных данных, автоматизированных систем поддержки принятия решений.
Во второй главе приведена математическая модель идентификации и согласования результатов идентификации режимов течения, описаны
идентификация режимов течения с использованием фазовых диаграмм методом 8 -окрестности, модифицированный К-БС-метод идентификации режима течения по экспериментальным данным, схема согласования результатов идентификации режимов течения двухфазных парожидкостных потоков, основанная на схеме Шортлиффа.
В третьей главе произведена конкретизация разработанной модели идентификации и согласования режимов течения применительно к двухфазным парожидкостным потокам: приведен способ расчета критериев диаграмм, выполнено нормирование, определены продукционные правила, представляющие знания экспертов, описаны разработанные алгоритмы. Продукционные правила используются для корректировки размера 8-окрестности при идентификации посредством фазовых диаграмм режимов течения.
В четвертой главе приводится описание функциональной, прецедентной и логической моделей автоматизированной системы поддержки принятия решения для идентификации и согласования режимов течения двухфазных парожидкостных потоков внутри горизонтальных труб, рассматривается структура системы и ее программная реализация.
В приложениях приведены фазовые диаграммы режимов течения; свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ; акты о внедрении результатов научной работы на предприятии г. Астрахани АФ ООО «ЛУКОЙЛ-Нижневолжскнефтепродукт», 000 «Торговый дом «Холод» и в учебный процесс кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления» Астраханского государственного технического университета.
В заключении формулируются выводы по результатам исследования.
Автор выражает искреннюю благодарность к. т. н., доц. И. Ю. Квятковской, к. т. н., доц. Т. В. Хоменко и к. т. н., доц. В. В. Лаптеву за ценные замечания и указания при выполнении настоящей работы.
