Применение математического моделирования как одного из подходов к проектированию систем теплогазоснабжения | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 31 октября, печатный экземпляр отправим 4 ноября.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Архитектура, дизайн и строительство

Опубликовано в Молодой учёный №37 (327) сентябрь 2020 г.

Дата публикации: 13.09.2020

Статья просмотрена: 3 раза

Библиографическое описание:

Петриков, И. Н. Применение математического моделирования как одного из подходов к проектированию систем теплогазоснабжения / И. Н. Петриков, П. В. Мысовских. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 37 (327). — С. 29-31. — URL: https://moluch.ru/archive/327/73579/ (дата обращения: 20.10.2020).



Сегодня перед инженерами теплогазоснабжения остро стоит задача увеличения энергоэффективности проектируемых ими инженерных систем, что невозможно при использовании устаревающих методик расчета с применением различных укрупненных показателей и коэффициентов.

В современных реалиях при удешевлении, и как следствие, увеличении вычислительных мощностей, появляется возможность разработки математических моделей частных объектов и процессов, что позволит увеличить точность результатов вычислений, производимых для конкретных задач, условий и ситуаций.

Ключевые слова: численное моделирование. математическое моделирование. параметрическая модель. теплогазоснабжение.

Математическое моделирование — это идеальное научное знаковое формальное моделирование, при котором описание объекта и его свойств осуществляется на языке математики, а исследование модели проводится с использованием тех или иных математических методов и программных комплексов. В настоящее время математическое моделирование это один из самых результативных, точных и наиболее часто применяемых методов научного исследования. Фактически все современные разделы физики посвящены построению и исследованию математических моделей различных физических объектов и явлений.

Благодаря высокой эффективности метода математического моделирования вполне обосновано его применение в проектировании систем теплоснабжения, газоснабжения и вентиляции.

Так в диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук «Повышение эффективности работы систем газового инфракрасного обогрева производственных зданий» Ермолаевым А. Н. было проведено численное исследование тепломассообмена и горения при работе высокотемпературных инфракрасных излучателей с помощью системы конечно-элементного анализа ANSYS Multiphysics, которая включает в себя модуль Fluent. Достоинством программного модуля Fluent является использование наиболее универсального типа элементов — тетраэдр (неструктурированная сеточная технология). Также, для моделирования всех необходимых геометрических элементов был использован универсальный CAD редактор ANSYS DesignModeller.

Для начала, автором были выбраны удовлетворяющие условиям исследования модели процессов доступные в системе ANSYS Multiphysics (модели турбулентности, модель горения, модель излучения). Затем, на основе эскизов и чертежей, были построены виртуальные параметрические модели трех высокотемпературных газовых инфракрасных излучателей (одна типовая модель, присутствующая на рынке, и два прототипа), а также виртуальная параметрическая модель испытательного стенда. Далее была произведена верификация параметрической модели на примере стендовых испытаний типовой модели высокотемпературного газового инфракрасного излучателя и выбор оптимальной расчетной модели турбулентности.

В результате была получена параметрическая модель высокотемпературного газового инфракрасного излучателя, которая воспроизводит реальные условия работы данной установки. Это позволило на этапе проектирования провести предэксплуатационную оценку эффективности инженерных решений, примененных в прототипах высокотемпературных газовых инфракрасных излучателей без конструирования их «в металле» и, следовательно, с меньшими капиталовложениями и трудозатратами

В научной статье Хаустова С. А., Заворина А. С., Фиспенко Р. Н. «Численное исследование процессов в жаротрубной топке с реверсивным факелом» приведены результаты численного исследования, проведенного над отечественным жаротрубным котлом Турботерм-500 (ТТ-500), который оснащен горелкой со смесительным устройством, представляющим собой аксиальный лопаточный завихритель. Данная конструкция смесительного устройства позволяет регулировать параметр крутки потока при подаче топливовоздушной смеси.

В первую очередь авторами были проведены натурные испытания котла посредством установки в газовом тракте датчиков температуры (типа термопара), в результате чего была определена температура дымовых газов на выходе из топки в стационарном режиме работы.

После этого была построена полная геометрически верная модель топки котла средствами ANSYS Workbench и ANSYS DesignModeller

Далее методом конечных элементов средствами ANSYS Fluent авторами статьи были смоделированы такие процессы и явления, происходящие в топке котла, как: горение метана в кислороде воздуха, турбулентность в реагирующей среде, конвективный и лучистый теплообмен.

Серия расчетов, которые были выполнены для того, чтобы определить влияние угла наклона выходной части лопатки горелки на температуру топочной среды, позволили смоделировать условия сжигания газа с различными параметрами крутки потока

Достоверность данной математической модели верифицирована натурными испытаниями, проведенными ранее, так как результаты расчетов модели в стационарном режиме работы и результаты натурных испытаний не противоречат друг другу

По результатам численного моделирования удалось получить графическое изображение линий тока продуктов горения с отображением скорости движения среды, а также контурный график температур в продольном сечении расчетной области. Это позволило определить основные особенности, которые влияют на формирование топочной среды

Данное исследование продемонстрировало применение пакета прикладных программ ANSYS для численного моделирования различных процессов, происходящих в жаротрубных котлах, с целью их модернизации и улучшения энергоэффективности.

На примере вышеназванных работ становится понятно, что использование методов математического моделирования и создание параметрических моделей существенно оптимизирует процесс разработки новых технических и инженерных решений в системах теплогазоснабжения. Позволяет создавать действующие модели прототипов до их воплощения «в металле», а также находить более эффективные инженерные решения для модернизации уже существующего оборудования.

Литература:

  1. Ермолаев, А. Н. Повышение эффективности работы систем газового инфракрасного обогрева производственных зданий: специальность 05.23.03 «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение»: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Ермолаев Антон Николаевич; Пензенский государственный университет архитектуры и строительства. — Пенза, 2018. — 191 c. — Текст: непосредственный.
  2. Хаустов, С. А. Численное исследование процессов в жаротрубной топке с реверсивным факелом / С. А. Хаустов, А. С. Заворина, Р. Н. Фиспенко. — Текст: непосредственный // Известия Томского политехнического университета. — 2013. — № Т.322.-№ 4. — С. 43–47.
Основные термины (генерируются автоматически): ANSYS, математическое моделирование, параметрическая модель, численное моделирование, CAD, высокотемпературный газовый инфракрасный излучатель, смесительное устройство, стационарный режим работы, типовая модель, топочная среда.


Ключевые слова

численное моделирование. математическое моделирование. параметрическая модель. теплогазоснабжение
Задать вопрос