Введение к работе
Актуальность проблемы. Математическое моделирование аэротермодинамических процессов и численный эксперимент являются в настоящее время основным способом исследования в энергетике и химическом аппаратостроении, особенно при изучении технологических процессов в двухфазной среде, в аппаратах; с активными гидродинамическими режимами, в центробежных полях закрученных течений. Создание оптимального по энергозатратам оборудования для проведения процессов с горением распыленного топлива, сушки, сепарации дисперсной фазы непосредственно связано с проблемой разработки теории турбулентных дисперсных потоков и создания на ее основе прикладного программного обеспечения для моделирования сложных технологических процессов в устройствах и аппаратах энергетики и химии. Оно необходимо, чтобы инженеры-проектировщшсн могли быстро и рационально провести анализ аэротермодинамических процессов в реальных аппаратах или исследовать процессы, физическое моделирование которых затруднительно или невозможно.
Прогресс в развитии вычислительной математики и новых информационных технологий дают в настоящеее время возможность создания информационно-вьгчислительїшх систем (ИВС), которые понимаются как множество взаимосвязанных программ, обеспечивающих автоматизированную, технологически единую и замкнутую систему решения и информационного обеспечения задач определенного класса в содержательных терминах проблемной области. Актуальным здесь является решение объединенных проблем: построения математических моделей различной степени сложности и разработки надежных программных средств для создания информационной среды исследований, с подготовкой данных и обработкой результатов с возможностью доступа к данным в сетях и использованием средст -пер- и дгультимедиа.
Цель и задачи ис&. дования. Целью диссертационной работы является создание информационно-вычислительной системы, в которой, с использованием методов вычислительной гидродинамики и тепломассобмена, можно проводить компьютерное моделирование различных технологических процессов в однофазных и двухфазных турбулентных потоках в энерготехнологических аппаратах реальной геометрии.
Основиыми задачами исследования являются:
разработка структуры ИВС и математических моделей для описания процессов в аппаратах с активным гидродинамическим режимом (АГР) и вихревым движением среды, в химически реагирующих турбулентных дисперсных потоках, основанных на эйлерово-лагранжевом и эйлеровом описании взаимодействия несущей и дисперсной фаз;
создание информационной среды для поддержки исследований: графических пре- и постпроцессоров, СУБД для управления научными проектами и разнородными документами с доступом к ним в сетях;
исследование закономерностей, качественный и количественный анализ двух- и трехмерных турбулентных течений, проведение расчетов аэродинамических характеристик, тепловых и физико-химических процессов в энерготехнологических аппаратах: в циклонах и вихревых камерах, горелочных устройствах, топках и т.п. с целью прогноза режима их работы и определения параметров.
Научная новизна. Разработанные средства математического моделирования и созданный программный инструментарий позволяют эффективно проводить фундаментальные исследования в области вычислительной гидродинамики и теплообмена.
В диссертационной работе:
с использованием лагранжева ^эйлерова подходов построены и алгоритмизованы замкнутые математические модели различной степени сложности для описания динамики переноса, теплообмена и горения частиц в турбулентных потоках;
разработаны методология построения и структура, создана ИВС для проведения научных исследований методами вычислительной гидродинамики и теплообмена;
созданы солверы систем для расчета физико-химических процессов в инертных и реагирующих потоках газа и частиц;
получены новые результаты по определению закономерностей аэродинамики и теплопереноса в энерготехнологических аппаратах с вихревыми потоками: циклонах, вихревых камерах, аппаратах со встречными закрученными потоками (АВЗП), в термореакционных аппаратах с ячейками АГР;
выполнено численное моделирование аэродинамики топочных камер различных конструкций и процесса горения в них распыленного топлива;
разработаны алгоритмы и создан пакет программ для генерации расчетных сеток, графической визуализации и обработки результатов
расчетов, создана СУБД для поддержки научных исследований в корпоративной сети с гипертекстовыми документами и с включением мультимедийных объектов.
Практическая ценность работы состоит в создании математических моделей различной степени сложности и информативности и в разработке па их основе программных комплексов для расчета совокупности физико-химическігх процессов в инертных и химически реагирующих турбулентных дисперсных потоках. Разработанная ИВС SELIGER может использоваться при решении задач общего назначения в вычислительной гидродинамике, для моделирования аэродинамики и процессов горения в топках котлов в двумерной и трехмерной постановке, при разработке схем транспортирования, сепарации и термообработки дисперсных материалов в энергетике, химии, на транспорте и в авиации. Пакеты постпроцессорной графической обработки данных WG и LEONARDO, генератор сеток ORIGGIN, гипертекстовая и пшермедийиая СУБД DATASEL могут быть использованы для поддержки научных изысканий в различных областях знания, везде, где применяются методы вычислительной гидродинамики, тепло- и массообмена.
ИВС, модели и отдельные программы системы используются в различных организациях: ЭНИН, ВНИИАМ, ЦАГИ, ЭНИЦ, КБ "Энергомаш" (г.Москва), БТУ (Венгрия), КТУ (Югославия), ЦКТИ, СПбГТУ (г. С.-Петербург), КБ "Южмаш", ДМИ (Днепропетровск) и др. Программа WG была включена в список поддерживающих средств системы PHOENICS фирмы СНАМ (США, Великобритания).
Работа выполнялась при поддержке РФФИ, Госкомитета РФ ВО по і рантам фундаментальных исследований в энергетике, в авиационной и ракетно-космической технике (94-07-01227, 96-07-89161, ІЗ/Гр-96, 94-7.1-42).
Достоверность работы. Разработанные модели тестировались путем сравнения расчетов с экспериментальными данными, полученными независимыми исследователями, диссертантом, соисполнителями работ по проектам моделирования эиерготехнологических аппаратов. Эксперименты проводились с использованием пневмометрических зондов, оборудования лазерно-доплеровской измерительной системы ЛДИС, АФАЧ и электродиффузионных методов на стендах ТГТУ и ИТ СО РАН (С.В.Алексенко, Л.В.Сериков). Программное обеспечение проверялось на тестовых задачах перед его непосредственным использованием при решении задач горения двухфазного топлива, при моделировании аэродинамики промышленных сооружений и т.п.
Автор выносит на защиту:
Математические модели динамики турбулентного переноса, тепломассопереноса и фазовых переходов (горения) в инертных и реагирующих дисперсных турбулентных потоках.
Методологию построения и структуру ИВС для проведения научных исследований.
Программные комплексы для расчета совокупности физико-химических процессов в инертных и реагирующих турбулентных газодисперсных потоках.
Результаты расчетов турбулентных изотермических и реагирующих одно- и двухфазных течений в различных технологических устройствах с закруткой и АГР, результаты их оптимизации.
Алгоритмы и программы для генерации расчетных сеток, графической визуализации и обработки результатов расчетов.
СУБД для поддержки научных исследований в корпоративной сети с включением гипермедийных ссылок и мультимедийных объектов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на I, II и III Минских международных форумах по тепломассобмену (Минск,1988,1992,1996) и всесоюзных конференциях: "Энергетическое моделирование-90"; "Проблемы турбулентных течений" (Жданов,1984,1988); "Проблемы аэродинамики газовоздушных трактов котельных агрегатов" (Барнаул, 1989); "Использование методов математического моделирования в котельной технике" (Красноярск, 1996); II Всесоюзной копф. по парогенераторам (Новосибирск, 1990); XIV, XI, XVI конференциях "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем" (Одесса, 1986,1989,1993); Первой Российской национальной конф. но теплообмену (Москва, 1994); XI Симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 1996). Сделаны доклады на международных конференциях: Int. Symp. Eng. Problems of Turbulence (Dubrovnic,1990); 8th Int. Conf. on Thermal Eng. and Thermogrammetry (Budapest, 1993); Int. Conf. "Methods and means for investigatioas in aeronautics" (Москва, 1993); "Информационные системы в науке-95" (Москва, 1995); "Математические методы в химии и химической технологии" (Тверь, 1995); IV, V Int. Conf. CAD/CAM and MULTIMEDIA (Hungary, 1994,1996); Int. Workshop and Symp. "Advances in databases and information systems -ADBIS'95', ADBIS'97'" (Москва,1995; С.-ПетербургД997); I, II Int. Symposium on Computational Wind Engineering (Токіо, 1992; Colorado, 1996); First Int. Symposium on Finite Volumes for Complex Applications, Problems and Perspectives (Ruan,1996); Second Int.
Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer (Delft, 1997); Int. Conf. SCART'97 (BerlinД997); 15th IMACS World Congress on Scientific Computation, Modelling and Applied Mathematics (Berlin, 1997).
С 1996 года некоторые результаты работы доступны по сети Internet ().
Публикации. Тема диссертации представлена в 47 публикациях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы с 247 наименованиями. Основной объем работы: 280 страниц, 109 рисунков, 5 таблиц.