Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ
ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ СУДОВЫХ БЫСТРОХОДНЫХ ДИЗЕЛЕЙ 22
1.1. Рациональная организация газодинамических процессов в проточных частях быстроходных дизелей как важный повышения их топливной экономичности 22
1.2. Структура и основные принципы создания САПР 30
1.3. Анализ адекватности и целесообразности применения различных численных методов при создании математических моделей элементов быстроходных дизелей 31
1.3.1. Методы математического моделирования граничных элементов 32
1.3.2. Методы математического моделирования процессов в протяженных элементах 35
1.4. Выводы по главе 1 46
ГЛАВА П. ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕЧЕНИЯ В СМЕЖНЫХ
СИСТЕМАХ 48
2.1. Расчетная схема. Реологическая модель рабочего тела 48
2.2. Система основных уравнений 52
2.3. Характеристическая форма системы основных уравнений 55
2.4. Постановка смешанной задачи для системы основных уравнений 59
2.5. Построение разностной схемы для системы основных уравнений 62
2.6. Расчет граничных точек - бб
2.7. Основные результаты и выводы по главе П 69
ГЛАВА Ш. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ГРАНИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 71
3.1. Классификация и основные принципы построения моделей граничных элементов 71
3.2. Граничный элемент типа "цилиндр" 77
3.3. Граничные элементы типа "внезапное изменение площади поперечного сечения", "поворот потока", "открытый конец трубопровода" 93
3.4. Граничные элементы типа "ресивер", "окружающая среда", "закрытый конец трубопровода" 97
3.5. Граничные элементы типа "разветвление" и "преобразователь импульсов" 100
3.6. Граничные элементы типа "охладитель", "компрессор" 108
3.7. Граничный элемент типа "турбина" 112
3.8. Основные результаты и выводы по главе Ш 124
ГЛАВА ІУ. АНАЛИЗ АДЕКВАТНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОДСИСТЕМЫ САПР "НАСТРОЙКА" 128
4.1. Методика совершенствования конструктивных параметров проточных частей элементов быстроходных дизелей 128
4.2. Программная реализация алгоритмов 133
4.3. Структура и основные принципы функционирования подсистемы САПР "НАСТРОЙКА" 136
4.4. Оценка адекватности функционирования компонентов методического и прикладного программного обеспечения 140
4.5. Оценка целесообразности использования и границ применения концепций подсистемы САПР "НАСТРОЙКА" при газодинамическом совершенствовании проточных частей быстроходных дизелей 156
4.6. Газодинамическое совершенствование судовых быстроходных дизелей (на примере дизелей 14 8,5/11 и 12 ЧН 14/14) и анализ эффективности его внедрения 161
4.7. Основные результаты и выводы по главе ІУ 169
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 171
ЛИТЕРАТУРА 175
ПРИЛОЖЕНИЯ 194
- Рациональная организация газодинамических процессов в проточных частях быстроходных дизелей как важный повышения их топливной экономичности
- Расчетная схема. Реологическая модель рабочего тела
- Классификация и основные принципы построения моделей граничных элементов
- Методика совершенствования конструктивных параметров проточных частей элементов быстроходных дизелей
Введение к работе
Актуальность исследования» Задача укрепления материально-технической базы транспорта, поставленная в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 198I-1985 годы и на период до 1990 года", для морского и речного флотов неразрывно связана с улучшением технико-экономических показателей быстроходных дизелей, которые всё более широко применяются в судовой энергетике как главные и вспомогательные двигатели.
Быстроходные дизели используются в дизель-редукторных агрегатах судов промыслового и технического флотов, небольших транспортных и быстроходных судов; в дизель-электрических установках транспортных, промысловых и специальных судов (например, ледоколов); в качестве привода вспомогательных механизмов (генераторов судовой электростанции, носовых подруливающих устройств и др.).
Как новую область применения быстроходных дизелей в судовой энергетике отметим грузовые платформы на воздушной подушке, предназначенные для обеспечения рейдовой разгрузки ледокольно-транс-портных судов в условиях необорудованного берега Арктического и Дальневосточного бассейнов.
Основными достоинствами быстроходных дизелей, обусловившими их использование на судах отмеченных типов, являются низкие массо-габаритные показатели и построечная стоимость, удобство установки в шумозаглушающие кабины, возможность осуществления более простого ремонта путем замены отдельных агрегатов или двигателя целиком. Так, опытные образцы дизеля 12 ЧН 18/20 для судов на подводных крыльях, развивающие мощность 900 кВт при удельном расходе топлива 217,6 г/(кВт-ч), имеют удельную массу 2,72-3,0 кг/кВт [7].
К группе быстроходных дизелей относят дизели повышенной оборотности (ДПО), которые характеризуются номинальными частотами вращения от 16,7 до 25,0 с , и высокооборотные дизели (ВОД), у которых эти частоты выше 25,0 с . Как правило, ДПО наряду с судовой, имеют еще тепловозную модификацию, а судовые ВОД являются конвертированными из дизелей автотракторного назначения.
Достигнутые значения удельных расходов топлива для современных судовых быстроходных дизелей лежат в пределах 208.-250 г/ (кВт.ч.). Значительное расхождение в уровне достигнутых технико-экономических показателей судовых быстроходных-дизелей обусловлено многообразием их типов и конструктивных решений. Более высокие значения удельных расходов характерны для ДПО и ВОД с меньшими цилиндровыми мощностями, обычно используемых в качестве вспомогательных двигателей.
Рост электровооруженности и степени автоматизации судов привели к значительному увеличению суммарной установленной мощности двигателей судовых электростанций. Коэффициент электровооруженности, представляющий собой отношение установленной мощности электрооборудования к валовой регистровой вместимости судна, возрос за последние пять-шесть лет с нескольких сотен ватт до одного киловатта на регистровую тонну, а для некоторых буровых судов, ведущих разведочное бурение и добычу нефти на континентальном шельфе, суммарная установленная мощность дизель-генераторов достигает 5МВт.
Значительная суммарная установленная мощность и высокие, по сравнению с малооборотными и среднеоборотными дизелями, удельные расходы топлива судовых быстроходных дизелей обусловили актуальность исследований в направлении повышения их топливной экономичности. Научно-техническая программа, которая служит решению данной проблемы в рамках Энергетической программы СССР, совместным постановлением Госплана СССР, ГКНТ и Президиума АН СССР отнесена к числу важнейших. Рабочие процессы быстроходных дизелей протекают с малыми межцикловыми интервалами, что в сочетании с тенденцией к повышению уровня форсировки приводит к широкому спектру распределения параметров движения и состояния в проточных частях двигателей. Поэтому важным резервом повышения топливной экономичности быстроходных дизелей является рациональная организация газодинамических процессов. Результаты, полученные в ряде организаций нашей страны (МВТУ, НАМИ, ХИИТ, ЦНИДИ и др.) и некоторыми зарубежными фирмами, показывают, что путём внедрения технических решений в этом направлении топливная экономичность быстроходных дизелей может быть существенно (на 4-7 г/(кВт-ч) и больше) улучшена.
Эффект увеличения мощности двигателя при постоянной или даже улучшенной топливной экономичности за счет изменения размеров и конструктивного исполнения смежных систем известен давно. Технические решения, использующие этот эффект, получили название систем динамического (инерционного, резонансного, акустического) наддува. Подавляющее большинство таких решений внедрено с целью улучшения эффективных показателей безнаддувных автомобильных двигателей.
Современный судовой быстроходный дизель представляет собой комбинированный двигатель, состоящий из поршневой части, компрессионных и расширительных машин, а также устройств для подвода и отвода теплоты. Транспортировка рабочего тела через проточные части элементов быстроходного дизеля осуществляется с помощью разветвленных смежных систем.
Сложность термо- и газодинамических процессов в элементах, составляющих судовой быстроходный дизель, и непригодность простых методов акустической теории для описания нестационарных процессов в смежных системах затрудняют внедрение технических решений по рациональной организации газодинамических процессов. Для их широкого внедрения необходимы переход на качественно новый уровень организации проектирования - применение автоматизированных систем, создание которых определено постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР "О мерах по ускорению научно-технического прогресса в народном хозяйстве" в качестве одного из главных направлений работ по ускорению научно-технического прогресса.
Настоятельной необходимостью стали разработка и включение в состав методического и программного обеспечения систем автоматизированного проектирования (САПР) дизелей математических моделей быстроходных дизелей, учитывающих нестационарные процессы в смежных системах, и методик проведения вычислительных (численных) экспериментов для определения оптимального технического решения.
В данном исследовании рассматриваются вопросы построения, реализации, проверки адекватности функционирования и применения математической модели быстроходного дизеля как компонента методического и программного обеспечения САПР дизелей.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является газодинамическое совершенствование судовых быстроходных дизелей на основе применения математического моделирования, методики проведения вычислительных экспериментов и средств вычислительной техники.
Для её достижения в работе решены следующие задачи: - проведен анализ эффективности применения и путей повышения топливной экономичности судовых быстроходных дизелей; выполнен анализ адекватности и целесообразности применения различных численных методов при создании математических моделей граничных и протяженных элементов быстроходных дизелей; разработаны математические модели протяженных и граничных элементов и способ задания произвольной структурной схемы комбинированного двигателя; выполнена программная реализация математических моделей элементов быстроходного дизеля в виде отдельных модулей и разработаны две версии универсальной программы применительно к операционным системам ДОС ЕС и ОС ВС; проведены численные и натурные эксперименты для подтверждения адекватности функционирования, а также для оценки целесообразности и границ допустимого применения разработанных моделей; разработана методика газодинамического совершенствования проточных частей быстроходного дизеля и выполнена проверка эффективности её внедрения для дизеля типа Ч 8,5/11; исследованы возможности повышения топливной экономичности судового быстроходного дизеля типа ЧН 14/14 путем совершенствования конструктивных параметров проточных частей.
На основании результатов, полученных при решении перечисленных выше задач, разработаны методическое и прикладное программное обеспечение подсистемы САПР "НАСТРОЙКА", предназначенной для газодинамического совершенствования проточных частей быстроходных дизелей.
Методы исследования. Основным методом исследования являлся вычислительный эксперимент, в основе которого лежит применение разработанной подсистемы САПР "НАСТРОЙКА" в целях нахождения оптимального технического решения. В качестве технического обеспечения использовались ЭЦВМ Единой Системы EC-I020, EC-I022, ВС-1033, EC-1060, графическая интерпретация результатов счета и работа в режиме диалога осуществлялись с помощью графопостроителей ЕС-7053, ЕС-7054 и комплекса устройств отображения ЕС-7920.
Экспериментальные исследования проводились на стендах лаборатории судовых ДВС НКИ, оборудованных дизелями 6ЧН 12/14 и 14 8,5/11, для подтверждения адекватности функционирования программного обеспечения использовались литературные данные, полученные на специально спроектированных опытных установках и дизелях 14 12/12,5, 12 ЧН 14/14, 16 ЧН 23/23.
Научная новизна диссертационной работы. В разработанной математической модели быстроходного дизеля влияние газодинамических процессов в проточных частях на эксплуатационных режимах доведено до эффективных показателей, используемых в подсистеме САПР "НАСТРОЙКА", в отличие от существующих программ, в качестве критериев оптимальности при проведении численных экспериментов. Проведено исследование влияния конструктивных параметров проточных частей на распределение параметров движения и состояния в протяженных элементах и доказана возможность амплитудно-фазового управления потоком рабочего тела. В процессе создания математических моделей подтверждена адекватность применения разностного метода,использующего схему Рихтмайера, к расчету газодинамических процессов в смежных системах быстроходных дизелей без введения аддитивно в давление искусственной диссипации типа Неймана-Рихтмайера и разработаны содержащие элементы научной новизны: способ задания произвольной структурной схемы комбинированного двигателя, не требующей предварительной генерации системы; методика математического моделирования эффективных проходных сечений органов газораспределения, отличающаяся от традиционных решений универсальностью, минимальным объемом вводимой в па- мять ЭЦВМ числовой информации и учетом теплоотдачи в стенки каналов органов газораспределения; способ расчета граничных точек протяженных элементов при неизэнтропическом течении, основанный на применении теории метода характеристик; методика расчетного определения характеристик двухзаходной центростремительной турбины с учетом перепадов давлений в подводящих патрубках.
В диссертационной работе защищается:
Научное положение о возможности амплитудно-фазового управления потоком рабочего тела в проточных частях судовых быстроходных дизелей.
Адекватность разработанных компонентов методического и программного обеспечения САПР.
Эффективность технических решений, полученных с помощью подсистемы САПР "НАСТРОЙКА" в направлении рациональной организации газодинамических процессов в проточных частях судовых быстроходных дизелей.
Достоверность полученных результатов обеспечена корректностью теоретического анализа при создании компонентов методического и программного обеспечения САПР, а также подтверждением адекватности их функционирования путем решения ряда тестовых задач и проведением серии сравнительных натурных и численных экспериментов.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в применении разработанной подсистемы САПР "НАСТРОЙКА" к проек- тированию быстроходных дизелей, что повышает технико-экономический уровень проектирования и уменьшает затраты на их создание, а также сокращает сроки, уменьшает трудоемкость проектирования и повышает качество проектной документации.
При нахождении с помощью подсистемы САПР "НАСТРОЙКА" технических решений, оптимальных по организации газодинамических процессов, могут изменяться: структурная схема комбинированного двигателя (число цилиндров, тип и число граничных элементов, что позволяет исследовать быстроходные дизели, оборудованные импульсной системой наддува, системами наддува постоянного давления, с преобразователями импульсов и двухступенчатой системой наддува); конструктивное исполнение смежных систем (длины прямолинейных участков трубопроводов и площади их проходных сечений); конструктивные параметры граничных элементов (фазы газораспределения и характер изменения эффективных проходных сечений органов газораспределения, проходные сечения проточных частей граничных элементов и др.); режимные параметры (частота вращения коленчатого вала, угол опережения впрыска и вид формулы для расчета задержки воспламенения, продолжительность и показатель характера сгорания, вид теплопередаточной функции, средние температуры деталей цилиндро-поршневой группы и др.).
Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в ЦНИДИ (г.Ленинград), ПО "Юждизельмаш" (г.Токмак) и учебный процесс подготовки инженеров-механиков по специальностям 0521, 0523, 0525 в НКИ, что подтверждено соответствующими актами внедрения.
Пакет прикладных программ "НАСТРОЙКА" для расчета и совершенствования рабочего процесса двигателей включен в протокол совместных мероприятий Минвуза СССР и В0: "Лицензинторг" для коммерческой реализации за рубежом.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Пленарном заседании Секции Президиума АН СССР по проблемам двигателестроения (Москва, 1981 г.) ;
Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы создания и использования двигателей с высоким наддувом" (Харьков, 1979 г.) ;
Всесоюзной школе-семинаре "Газодинамика и теплообмен в энергетических установках" (Минск, 1979г.; Нарва-Йыэсуу, 1981 г.; Звенигород, 1983 г.) ;
Отраслевых научно-технических конференциях "Проблемы повышения топливной экономичности и надёжности быстроходных дизелей" и "Создание и совершенствование быстроходных дизелей" (Токмак, 1980, 1982 гг.) ;
Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и топлив" (Москва, 1980 г.) ;
Всесоюзной научной конференции "Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания" (Москва, 1982 г.) ;
Всесоюзном семинаре по ДВС при МВТУ им. Н.Э.Баумана (Москва, 1982 г.) ;
Ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава НКИ (Николаев, 1976-1982 гг.) .
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 15 работах общим объемом 21 п.л., в том числе 3-х учебных и учебно-методических по собиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 182 наименований и приложений (коэффициенты уравнений регрессии с оценкой их адекватности матрице исходных данных и акты внедрения). Работа изложена на 199 страницах и содержит 138 страниц основного машинописного текста, 5 таблиц и 46 рисунков.
class1 АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ
ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ СУДОВЫХ БЫСТРОХОДНЫХ ДИЗЕЛЕЙ class1
Рациональная организация газодинамических процессов в проточных частях быстроходных дизелей как важный повышения их топливной экономичности
Отличительной особенностью планов развития морского и речного флотов в П-й пятилетке является опережающий рост конечных народнохозяйственных результатов в сравнении с капитальными, материальными и трудовыми затратами, что требует создания высокорентабельных судов и правильной организации процесса эксплуатации.
Рентабельность судна характеризуется удельными приведенными затратами ЬЕ = —п , на величину которых существенное влияние оказывают начальная стоимость судовой ЭУ, затраты на её эксплуатацию и эксплуатационная скорость хода (здесь К - коэффициент окупаемости, К - строительная стоимость, Е - эксплуатационные затраты, Q - грузовой поток).
Оптимальная комплектация судовой ЭУ при прочих равных условиях обеспечивает эксплуатацию судна с минимальными удельными затратами. Поэтому выбор оптимальной комплектации судовой ЭУ математически представляет задачу минимизации критерия оптимальности ЕЕ. Сложность решения этой задачи усугубляется резкими, скачкообразными изменениями величин в формуле для ЕЕ , вызванных, в первую очередь, динамикой ценообразования на нефть и нефтепродукты.
Доля судовой энергетики в потреблении нефти составляет примерно 3-4%, что не оказывает существенного влияния на общий топливно-энергетический баланс. Однако, затраты на потребление топлива являются главной составляющей суммарных расходов на эксплуатацию судовой ЭУ. За период с 1972 по 1982 гг. доля расходов на топливо в общей сумме эксплуатационных расходов увеличилась с 10 до 50-70%. Поэтому динамика ценообразования на основные вида нефтяных топлив является решающим фактором, предопределяющим основные направления развития судовых ЭУ.
ЭУ судов постройки до 1975 г. были ориентированы на использование дешевых сортов топлив и, как правило, с целью снижения строительной стоимости К создавались по упрощенным схемам. Последовавшие в 1973-1975 гг. и 1979 г. резкие (в 3,5-6,5 раза) повышения цен на нефть и нефтепродукты привели к тому, что эксплуатация большинства судов, оборудованных ЭУ с высоким расходом топлива, стала нерентабельной, т.к. увеличение затрат на эксплуатацию значительно превысило выигрыш, полученный за счет более низкой начальной стоимости ЭУ.
Из мероприятий по снижению удельных приведенных затрат таких судов и касающихся их ЭУ отметим переоборудование и эксплуатацию на долевых режимах. Переоборудование ЭУ затронуло суда различных типов: от небольших промысловых до крупнотоннажных танкеров. Широко известен ряд программ по замене паротурбинных и газотурбинных ЭУ более экономичными дизельными. Тенденция эксплуатации ЭУ на долевых режимах отчетливо проявляется в снижении эксплуатационной скорости хода для большинства грузопотоков с 18-20 до 14-15 узлов. Реализация этого мероприятия позволяет сократить расход топлива на главные двигатели и, несмотря на некоторое снижение грузового потока Q , уменьшить удельные приведенные затраты ЕЕ Важнейшими следствиями для судовой энергетики из складывающегося положения с динамикой ценообразования на основные виды нефтяных топлив стали ее дизелизация и широкое внедрение технических решений по сокращению расхода топлива и использованию его более дешевых сортов дизельными ЭУ. Из 937 судов дедвейтом 2000 т и более, сданных в 1981г., подавляющее большинство (924) оборудованы дизельными ЭУ, которые из традиционно известных являются наиболее экономичными.
class2 ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕЧЕНИЯ В СМЕЖНЫХ
СИСТЕМАХ class2
Расчетная схема. Реологическая модель рабочего тела
Расчетная схема комбинированного двигателя представлена в виде ориентированного графа, где вершинами являются граничные элементы, а ребрами - участки трубопроводов смежных систем, течение в которых может рассматриваться как одномерное.
Условные обозначения и кодировка граничных элементов приведены в таблице 3.2. Там же, в третьей главе, рассматриваются математические модели граничных элементов различных типов.
На рис.2.I приведена схема шестицилиндрового комбинированного двигателя, а на рис.2.2 , 2.3 соответственно его граф-схема и матрица инциденций ориентированного графа ( І - порядковый номер участка трубопровода, j - граничного элемента). При наличии "библиотеки" подпрограмм, моделирующих процессы в граничных элементах различных типов, с помощью матрицы инциденций можно задать практически любую структурную схему двигателя с произвольным числом цилиндров, различными системами наддува и конструктивным исполнением смежных систем.
Рабочие процессы в граничных элементах комбинированного двигателя сопровождаются обменными потоками массы и энергии через трубопроводы смежных систем. Параметры рабочего тела в граничных элементах и трубопроводах непрерывно изменяются в функции координаты и времени.
Матрица инциденций ориентированного графа чистых продуктов сгорания с массовой концентрацией последних Г" В качестве реологической модели используется модель совершенного газа, т.е. газа, подчиняющегося закону Клапейрона и для которого в любой декартовой системе координат матрица компонентов тензора напряжений J имеет вид f-p 0 0
Удельные внутренние энергии Є , ?" и теплоемкости Су, Су Ср » Ср являются функциями только температуры Т. Аппроксимация б\ в"выполнена полиномами четвертой степени [45] , для определения Cv, Су , Ср , Ср используются свойства совершенного газа
Удельная внутренняя энергия Є и теплоемкости Ср, Cv рабочего тела находятся по известным массовым концентрациям для смеси двух совершенных газов.
Классификация и основные принципы построения моделей граничных элементов
Для расчета граничных точек необходимо задать граничные условия (2.15) в случае течения "впуск" и (2.16) в случае течения "выпуск", т.е. необходимо установить функциональное соответствие между множеством дискретных значений из временного интервала и множествами /72 , / , Г" . Значения величин /П , / , / " определяются процессами, протекающими в граничном элементе, и предысторией потока на границе прямолинейного участка трубопровода, прилегающего к граничному элементу.
Моделирование процессов в граничных элементах выполняется с помощью математических моделей трех типов, получивших в кибернетике названия черного, серого и белого ящиков.
При создании модели типа черного ящика априорных знаний исследователя достаточно лишь для того, чтобы разделить переменные на входные и выходные, а также указать на возможную функциональную форму и характер (стохастический или детерминированный) их взаимосвязи. Механизм зависимости выходных переменных от входных при этом не раскрывается.
Модели типа черного ящика в форме уравнения регрессии(идентификационные модели) широко используются для обобщения результатов активных натурных и численных экспериментов. Использование таких моделей предпочтительнее непосредственного ввода матрицы исходных данных ввиду снижения трудоемкости и экономии значительного объема оперативной памяти ЭЦВМ.
В данной работе идентификационные модели граничных элементов строятся в форме уравнения множественной регресии величины и , характеризующей исследуемый процесс, на совокупность конструктивных и режимных параметров (факторов)/ / :
Уравнение регрессии(3.1) определяет регрессионную полиномиальную модель второго порядка, которая описывает гиперповерхность в к -мерном пространстве переменных {хЛ . Параметры 60 (6Л , {б;/} » {&//} » называемые коэффициентами регрессии, оцениваются обычно по методу наименьших квадратов путем минимизации остаточной дисперсии число наблюдений; число коэффициентов в регрессионной модели.
Коэффициенты [бп , {5щ , [Зц1 показывают, на сколько единиц в среднем изменится результативный признак U при изменении независимых переменных /«ЯГЛ или их произведений (хЛ fajjj на единицу шкалы измерения при постоянных значениях всех других переменных. Параметр 60 трактуют либо как оценку действия на у признаков, не учтенных явным образом в модели, либо как оценку ошибок измерения, либо не интерпретируют содержательно вообще.
Коэффициенты некоторых регрессионных полиномиальных моделей второго порядка, используемых в работе, приведены в приложении I. Для оценки адекватности регрессионной модели матрице исходных данных там же приведены значения остаточной дисперсии.
Модели типа серого и белого ящиков отличаются от модели типа черного ящика глубиной описания внутренних связей и закономерностей процессов, протекающих в граничных элементах.
Предполагается, что изменение состояния рабочего тела в граничном элементе происходит квазистатически, т.е. процесс состоит из последовательности равновесных состояний. Рассматриваемые нами граничные элементы представляют собой условно закрытые и открытые системы с несколькими потоками вещества. Для их исследования часть пространства рассматриваемой системы ограничивается мысленной границей контрольного пространства. Потоки вещества поступают в систему через входные сечения, обозначенные цифрой I, и покидают её через выходные сечения, обозначенные цифрой 2.
Методика совершенствования конструктивных параметров проточных частей элементов быстроходных дизелей
Разработанные математические модели элементов быстроходного дизеля (см. разделы 2,3) позволяют осуществить идентификацию протекающих в них процессов. Для нахождения технического решения, оптимального по организации газодинамических процессов, методическое обеспечение подсистемы САПР необходимо дополнить соответствующей методикой, использующей методы многовариантного проектирования и оптимизации.
Влияние нестационарных процессов в смежных системах на эффективные показатели двигателя проявляется прежде всего через изменения коэффициента наполнения и работы насосных ходов, что определяется системой наддува (структурной схемой) и конструктивными параметрами граничных и протяженных элементов. Следовательно, оптимальное решение принадлежит совокупности технических решений, определяемых множеством структурных схем Я = {Ят1 и вектором конструктивного исполнения L -{Limj .
В качестве основной цели, характеризующей целесообразность реализации Rm -ой структурной схемы и соответствующего ей вектора конструктивного исполнения i if/n принята их экономическая эффективность, измеряемая с помощью показателя качества (критерия оптимальности) et
За счет предварительного отбора структурных схем и выбора варьируемых факторов, образующих соответственно подмножество можно существенно уменьшить область допустимых решений, а оптимальное решение найдём, решая экстремальную задачу.
Задача максимизации (4.1) является частично дискретной, а численные эксперименты по максимизации можно рассматривать как многофакторный эксперимент, организованный по двухступенчатому иерархическому плану.
Так как с ростом числа цилиндров быстроходного дизеля увеличивается время проведения единичного численного эксперимента и резко возрастает размерность экстремальной задачи (4.1), необходимо на основе планирования эксперимента разработать методику проведения численных экспериментов, которая может быть реализована на современных ЭЦВМ.
В основе методики лежит представление критерия оптимальности 2еі Для конкретного режима и Гт -ой схемы как поверхности отклика уровней изменения факторов if Л , которая аппроксимируется регрессионной полиномиальной моделью второго порядка от к переменных: Коэффициенты регрессионной модели /SJ , { и] » с У/ оцениваются наиболее эффективно, если для получения результатов численных экспериментов использовать специальные планы. Для того, чтобы при подборе модели второго порядка можно было оценить её коэффициенты, план эксперимента должен содержать по меньшей мере три уровня каждого фактора. Предпочтительным в этом случае классом планов для изучения поверхности отклика является класс ротатабельных планов, у которых дисперсия прогнозируемого зна чения отклика О в некоторой точке ( f , ,..., А ) является функцией только расстояния от этой точки до центра плана ( 0, 0, ..., 0) и, следовательно, не изменяется при вращении плана вокруг центра.
Для оценки коэффициентов І6Л , /4// » /4/7 используется центрально-композиционный ротатабельный униформный план Бокса-Хантера "на шаре" ( Z.- / ) эффективность которого по статистическим критериям ( $ , Л и Е - эффективность) согласно данным работы [Ю0] является оптимальной.
Понижение размерности задачи максимизации и выбор факторов осуществляется путём предварительного исследования возможных структурных схем двигателя с различными системами наддува, которые, исходя из опыта проектирования и эксплуатации аналогичных конструкций, в наибольшей степени должны соответствовать функциональному предназначению двигателя и иметь высокую топливную экономичность.
Сравнительные показатели быстроходных дизелей, оборудованных различными системами наддува [56, 73], приведены в табл.4.I. Области целесообразного применения различных систем наддува рассмотрены в работе [?3] . После предварительного исследования структурных схем производится отбор наиболее перспективных, образующих подмножество І т/і и соответствующих им факторов с интервалами варьирования I[ , "jimj
