Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Математическое моделирование в комплексном исследовании проблемы кондиционирования воздуха 25
1.1. Анализ задачи кондиционирования воздуха 25
1.2. Математическое моделирование термодинамического состояния воздушной среды 33
1.3. Оптимизация системы кондиционирования воздуха 39
1.4. Декомпозиция системы кондиционирования воздуха 49
1.5. Эффективность и вопросы управления системой кондиционирования воздуха 59
1.6. Выводы, цель и задачи исследования 65
Глава 2. Системное моделирование при обработке информации о технологии с кондиционирова нием воздуха 69
2.1. Концептуальная и информационно-структурная модель кондиционирования 69
2.2. Системная модель информационной технологии получения новых знаний о кондиционировании воздуха 77
2.3. Информационно-структурные модели кондиционирования типовых систем 88
2.4. Кодирование, структурное распознавание и логический синтез образа технологии с кондиционированием воздуха 99
2.5. Логический анализ информационно-структурных моделей кондиционирования типовых систем 106
2.6. Алгоритм управления системой кондиционирования воздуха и его логический анализ 117
2.7. Выводы 124
Глава 3. Элементы синтеза технологии с кондиционированием воздуха 126
3.1. Распределение капиталовложений в агрегаты системы кондиционирования воздуха 126
3.2. Синтез вероятной /-^-кривой наружного воздуха 132
3.3. Синтез характерных состояний воздуха при управлении изовлажностным теплообменом 136
3.4. Синтез характерных состояний воздуха при управлении по-литропным тепло- и влагообменом 140
3.5. Динамическое программирование и логическое проектирование технологии с кондиционированием воздуха 145
3.6. Моделирование технико-экономических связей при совершенствовании технологии с кондиционированием воздуха 151
3.7. Выводы 155
Глава 4. Анализ процессов в узлах кондиционирования воздуха при системном моделировании 158
4.1. Математическое моделирование сезонного распределения температуры воздуха в помещении 158
4.2. Математическая модель и анализ характеристик дискового вентилятора 162
4.3. Математическая модель и анализ характеристик струйного распределителя 169
4.4. Анализ процессов в контактном аппарате 173
4.5. Модель нагрева с движущимся источником тепла..., 181
4.6. Выводы 186
Глава 5. Анализ систем с воздухопотреблением в тон ких сопряжённых слоях 189
5.1. Математическое моделирование динамики процесса десублимации водяного пара 189
5.2. Элементы моделирования устройств с несущей прослойкой воздуха 196
5.3. Параметрическая оптимизация пневмоконвейера с несущей прослойкой 203
5.4. Анализ переходных процессов течения среды в устройстве с несущей прослойкой воздуха 205
5.5. Математическое моделирование теплопереноса в тонких сопряжённых слоях воздуха и воды 212
5.6. Выводы 218
Глава 6. Реализация информационной технологии получения новых знаний о кондиционировании воздуха 220
6.1. Организация программного обеспечения системного моделирования 220
6.2. Программный комплекс «Интерактивная система описания технологии кондиционирования воздуха» 222
6.3. Программный комплекс «Интерактивная система синтеза технологии кондиционирования воздуха» 231
6.4. Программный комплекс «Интерактивная система анализа технологии кондиционирования воздуха» 237
6.5. Примеры реализаций вычислительных экспериментов 243
6.6. Выводы 260
Заключение 261
Библиографический список 264
Приложение 285
- Математическое моделирование термодинамического состояния воздушной среды
- Системная модель информационной технологии получения новых знаний о кондиционировании воздуха
- Синтез характерных состояний воздуха при управлении изовлажностным теплообменом
- Математическая модель и анализ характеристик дискового вентилятора
Введение к работе
Актуальность проблемы. Воздух является естественной средой обитания человека. Искусственное придание воздушной среде определённых состояний вызвано необходимостью повышения её комфортности. Промышленное применение воздуха обусловлено его доступностью, пожаро- и взрывобезопас-ностью, гигиеничностью, малой плотностью, прозрачностью, сжимаемостью, отсутствием вредного влияния на пищевые продукты, медикаменты, бумагу и текстиль.
tf* Искусственное придание воздушной среде определённых состояний пре-
следует цели производственного или гуманитарного характера, достигаемые технологией с кондиционированием воздуха (ТКВ). Её реализуют системы «воздухоподготовка - воздухопотребление» и, в частности, системы кондиционирования воздуха (СКВ), обеспечивающие температуру, влажность, скорость воздушных потоков, избыточное давление в обслуживаемых помещениях промышленных, общественных и жилых зданий. К традиционным объектам с СКВ относятся продовольственные склады, овощехранилища, цеха предприятий пищевой и обрабатывающей промышленности.
Перспективная система с кондиционированием воздуха (далее тоже СКВ или система «воздухоподготовка - воздухопотребление») обязана обслуживать пространство с уникальной геометрией или обеспечивать специальное распределение параметров воздуха, например, в «чистом производственном помещении», и в тоже время должна быть приспособлена к массовому производству своих элементов. Технологический комплекс, состоящий из кондиционера с относительно небольшой производительностью воздуха, подаваемого в локаль-
v* ную зону, имеющую форму тонкого несущего слоя и уникального агрегата, реализующего основную технологическую операцию, например, охлаждение
полимерной ленты в этой зоне, является примером перспективной СКВ, от которой ожидается снижение затрат на воздухоподготовку.
Значительная энергоёмкость современных СКВ требует их совершенствования и развития всей ТКВ. Проблема снижения затрат заставляет обратить внимание не только на перспективные технические решения, но и на методы их поиска. Расширение рассматриваемой предметной области знаний связано с разработкой универсальных средств получения, накопления и применения информации о них, независимо от целевого назначения СКВ.
Знания по ТКВ, полученные и накопленные трудами Б.В. Баркалова, В.Н. Богословского, А.А Гоголина, М.И. Гримитлина, Е.Е. Карписа, О.Я. Кокорина, А.Я. Креслиня, СВ. Нефелова, В.И. Прохорова, А.Г. Сотникова, Е.В. Стефано-ва, П.В. Участкина, А.А. Рымкевича, М.Б. Халамейзера и др., нашли своё выражение в методах расчёта технологических параметров СКВ и в математических моделях отдельных её элементов. Их приложение к синтезу ТКВ с перспективной СКВ требует объяснения феномена выбора её алгоритма функционирования, структуры, а также ряда исходных данных, в т.ч. производительности системы, интенсивности источников избыточного тепла и влаги в обслуживаемом пространстве, использующем кондиционированный воздух.
В качестве основания для выбора алгоритма функционирования СКВ, как правило, выступают следующие эвристические соображения. В структуре СКВ применяют различные аппараты термодинамической обработки воздуха. Большинство из них характеризуется необратимостью осуществляемого в них термодинамического преобразования воздуха. Признано нецелесообразным реали-зовывать в СКВ последовательность с противоположно направленными процессами, например, с нагревом после охлаждения или с осушкой вслед за увлажнением. Однако, этого явно недостаточно для интенсивного синтеза эффективных ТКВ. Тем не менее, перечисленные факты говорят о возможности получения новых знаний о ТКВ - применение логического моделирования для
идентификации (или распознавания) алгоритма функционирования (или топологии) перспективной СКВ.
Другой очевидной возможностью получения новых знаний о ТКВ является это оптимизационное моделирование для оценивания технологических параметров СКВ и её управлений.
Сбалансированное применение разнообразных подходов к решению задач синтеза и анализа перспективных СКВ нуждается в специальной организации математических методов, моделей и алгоритмов обработки информации, которая учитывает как работу системы в целом, так и взаимодействие состав-** ляющих её элементов.
На сегодняшний день отсутствует методология комбинированного применения методов логического и оптимизационного моделирования, реализованная в виде комплексов программ проведения вычислительного эксперимента для синтеза ТКВ и интерпретации его результатов. Данное обстоятельство объясняет актуальность проблемы создания организованной совокупности логических и оптимизационных методов, моделей, алгоритмов и комплексов про-^ грамм, как информационных технологий получения новых знаний о ТКВ.
Работа выполнена на кафедре информационных и управляющих систем ВГТА в соответствии с программой работ Министерства общего и профессионального образования РФ по теме «Разработка и совершенствование способов и средств управления пищевых и химических производств» (гос. регистр. № 01980007715).
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка методологии комбинированного применения логического и оптимизационного моделирования как информационной технологии получения новых знаний о структуре, ал-^ горитме и процессах в совершенствуемой системе «воздухоподготовка — воз-духопотребление» при проведении вычислительного эксперимента и интерпретации его результатов для синтеза перспективной ТКВ.
Поставленная цель определила следующие задачи исследования.
Декомпозиция ТКВ и выработка концепции комплексного анализа рассматриваемой предметной области, содержащей ряд совершенствуемых элементов системы «воздухоподготовка - воздухопотребление».
Разработка плана совершенствования ТКВ, который учитывает связи между отдельными моделями процессов, алгоритмов и структур системы «воздухоподготовка - воздухопотребление», организуя последовательность их применения.
3. Изыскание новых возможностей описания решений по функциональ-
V* ным воздействиям на обрабатываемый воздух, алгоритмам функционирования
и структурам современных СКВ, обеспечивающих развитие термодинамической модели, опирающейся на классификацию расчётных состояний наружного воздуха по потребности в искусственном нагреве или охлаждении.
4. Поиск средств моделирования ТКВ, как альтернативы феноменологи
ческому построению графика искусственного изменения состояния воздуха (в
СКВ) в системе координат «энтальпия - влагосодержание».
^ 5. Установление способа координации моделируемых связей ТКВ двух
уровней - уровня взаимодействия агрегатов и уровня внутренних процессов функционирования агрегатов.
Создание математических моделей для определения технологических параметров СКВ при ограниченных ресурсах, и моделей перспективных агрегатов, функционирование которых обеспечивает тонкий воздушный слой.
Разработка моделей информационного обеспечения и программных комплексов компьютерной реализации предложенных математических моделей, внедрение которых в практику подтверждает эффективность построенной
Л' методологии синтеза.
Методы исследования. Выполненные исследования и разработки комплекса средств математического моделирования базировались на использова-
ний теорий и методов системного анализа, вычислительной математики, кодирования, логического анализа, гидромеханических и тепловых процессов.
Научная новизна диссертационной работы заключается в решении важной проблемы разработки новой методологии синтеза перспективных ТКВ как информационной технологии комбинированного применения логических и оптимизационных методов моделирования, что выражается в следующем.
Представленная концептуальная модель ТКВ, содержит новое сочетание системообразующих понятий, их признаки и имеет форму ряда информационных кортежей, определяющих перспективные направления совершенствования систем «воздухоподготовка - воздухопотребление».
Уникальность построенной системной модели информационной технологии получения новых знаний о ТКВ проявляется в совокупности процедур, сгруппированных по этапам, а также в алгоритме применения моделей обеспечивающих каждую процедуру.
В предложенном способе описания множества результатов моделирования топологии, процессов и алгоритмов функционирования отдельных СКВ, предусмотрен переход от множества информационно-структурных моделей кондиционирования (ИСМК) в форме графов и логических схем алгоритмов СКВ к соответствующему множеству линейных систематических двоичных кодов, составляющих строки порождающей матрицы, столбцам которой сопоставлены функции алгебры логики.
В разработанном алгоритме синтеза графа перспективной СКВ двоичные коды естественного и искусственного изменения состояния воздуха за год получают, как результаты динамического программирования, а затем подвергают логическому анализу, обеспеченному сформулированными правилами структурного распознавания и базой данных в форме порождающей матрицы.
Разработанный метод обоснования выбора параметров процессов и структур системы «воздухоподготовка - воздухопотребление» основан на со-
вместном применении распределённых моделей отдельных агрегатов, модели системы в целом и анализе относительного изменения приведённых затрат на ТКВ, координирующем результаты моделирования.
Созданная библиотека новых моделей параметрического синтеза и анализа ТКВ, содержит модель для определения основных технологических параметров СКВ при ограниченных капиталовложениях, модели её процессов и ряд моделей агрегатов, использующих воздух в форме тонкого несущего слоя.
Описанная структура информационного обеспечения и сформулированные правила организации программного обеспечения комплекса средств ма-
^ тематического моделирования перспективной ТКВ на базе построенной системной модели инвариантны относительно методов анализа математических моделей, а также средств разработки и применения программных комплексов.
На защиту выносится методология моделирования перспективной системы «воздухоподготовка - воздухопотребление», как суть новой информационной технологии, которая использует 1) комбинацию оптимизационных и логических моделей структур, процессов функционирования и алгоритмов управле-
^ ния ТКВ; 2) программные комплексы компьютерной реализации разработан-ных математических моделей для проведения вычислительного эксперимента и интерпретации его результатов.
Практическая значимость работы выражается в построении комплекса инструментальных средств моделирования ТКВ, содержащем математическое, информационное и программное обеспечение. Его топология инвариантна к целевому назначению разрабатываемого объекта. Комплекс обеспечивает поиск перспективных технических решений в рассматриваемой предметной области и оценивает его результаты. При этом осуществляется структурный синтез коди-
^ рованного образа ТКВ, его декодирование и параметрический анализ процессов функционирования и управления СКВ.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 55 печатных работах. Их список содержит 10 статей в научных журна-лах, определённых ВАК Минобразования России (из них 4 в соавторстве), 5 авторских свидетельств и 1 патент, 1 монографию и 1 учебное пособие. Вклад соискателя, как соавтора коллективных публикаций, заключается в определении целей и задач работы, в выполнении исследования и анализе его результатов, в разработке комплексов программ и проведении вычислительных экспериментов для синтеза ТКВ.
Апробация работы. Результаты исследования докладывались на Всесо-^1 юзном совещании-семинаре «Новейшие исследования в области теплофизиче-ских свойств» (Тамбов, 1988); XVIII научно-технической конференции молодых учёных и специалистов ИТТФ АН УССР (Киев, 1988); Всесоюзной научно-технической конференции «Современные проблемы триботехнологии» (Николаев, 1988); зональной конференции «Пневмоавтоматика в системах автоматизации производственных процессов» (Пенза, 1988); II Всесоюзной конференции «Теплофизика и гидрогазодинамика процессов кипения и конденсации» (Рига, ^ 1988); Всесоюзной конференции «Моделирование систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем научных исследований и гибких автоматизированных производств» (Тамбов, 1989); V Всесоюзном научно-координационном совещании «Газовая смазка в машинах и приборах» (Новороссийск, 1989); III Всесоюзной школе-семинаре молодых учёных и специалистов «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Алушта, 1989); научно-технической конференции «Теория и практика разработки и внедрения средств автоматизации и роботизации технологических и производственных процессов» (Уфа, 1989); Всесоюзном совещании «Пневмо-\* гидроавтоматика и пневмопривод» (Суздаль, 1990); VI Всесоюзном симпозиуме по пневматическим (газовым) приводам и системам управления (Тула, 1991); Всесоюзной конференции по математическому и машинному моделиро-
ванию (Воронеж, 1991); IV Всероссийской научной конференции «Динамика процессов и аппаратов химической технологии» (Ярославль, 1994); III Всерос-сийской научно-технической конференции «Информационные технологии и системы» (Воронеж, 1999); ежегодных отчётных научных конференциях ВГТА (Воронеж, 1992-2004).
Структура и объём работы. Диссертация состоит из шести глав, заключения и приложения.
Первая глава посвящена анализу задач математического моделирования
в комплексном исследовании проблемы кондиционирования воздуха.
^ При анализе установлено следующее множество понятий, характеризую-
щих рассматриваемую предметную область: целевое назначение системы; функциональные воздействия на воздушную среду; структура технологического процесса кондиционирования; алгоритм функционирования; эффективность кондиционирования. Результаты обзора подходов к моделированию объектов, с которыми ассоциируются перечисленные понятия, представлены в виде информационных кортежей. Для каждого кортежа определены характерные при-^ знаки и их параметры, которые следует учитывать при построении моделей для синтеза ТКВ.
В выводах отмечено, что большинство исследований в области моделирования СКВ направлено на развитие методов расчёта их технологических параметров. При этом синтез её структуры и алгоритма функционирования ограничивается эвристическими соображениями, а распространённая в инженерной практике термодинамическая модель СКВ нуждается в обосновании выбора производительности системы, интенсивности источников избыточного тепла и влаги в обслуживаемом пространстве, использующем кондиционированный \% воздух, других исходных данных. Необходимость этого обоснования остро ощущается, например, при синтезе СКВ с целью их массового производства.
Кроме того, современные модели агрегатов СКВ должны учитывать пространственное и временное распределения параметров воздуха в них.
На основе выводов сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе изложены основы предлагаемой методологии исследования ТКВ на базе системного моделирования. Целью моделирования является отражение множества понятий, определяющих концепцию совершенствования СКВ и разработка плана, реализующего данную концепцию для получения новых знаний о ТКВ.
Предложенная концептуальная модель связывает понятия, установленные ** в результате анализа предметной области (по первой главе) и имеет вид информационных кортежей. Системная модель информационной технологии получения новых знаний о кондиционировании воздуха (или просто системная модель), развивает принятую концепцию, отразив результаты декомпозиции задачи большой размерности на простые задачи меньшей размерности, допускающие не зависящие друг от друга решения. При этом выделены этапы и процедуры, а также вскрыта их взаимосвязь, которая учтена в плане применения к .^, обработке информации о ТКВ. В пределах каждой процедуры рассматривается модель соответствующего элемента концепции. Модельные представления о нём поэтапно усовершенствуются так, что каждый последующий этап содержит более детальное описание объекта по сравнению с предыдущим. Кроме того, к последующему этапу не приступают до полного завершения всех процедур предыдущего этапа.
Исходный этап получения информации о ТКВ имеет условное название «Описание (Э1)». Он связан с общим описанием объекта и выражается в упорядочивании накопленных знаний о нём. Процедуры этапа, в частности, имеют V следующее назначение: формулировка ограничений на множество допустимых состояний воздушной среды и её подвижность в обслуживаемом пространстве; выбор прототипов агрегатов перспективной СКВ; описание границ состояний
воздуха, разделяющих области применения типовых СКВ. Подход к процессу кондиционирования воздуха, как к преобразованию информационного потока позволяет рассматривать агрегаты СКВ как преобразователи информации - в виде множества логических элементов, должным образом упорядоченных и соединённых друг с другом. Результатами моделирования на этапе «Описание (Э1)>> являются граф базовой СКВ, множество прототипов её агрегатов и алгоритм функционирования, который кодирует порождающая матрица, имеющая сопоставленный набор логических выражений.
Обеспечение более детального изучения объекта достигается на последующих этапах системного моделирования, названных «Синтез (Э2)» и «Анализ (ЭЗ)» соответственно.
Этап «Синтез (Э2)» направлен на преобразование базовой СКВ в перспективную. Его начальные процедуры предоставляют прообразы ТКВ в виде кодированных I-d- кривых естественного и искусственного изменения параметров состояния воздуха, где / - энтальпия, d - влагосодержание. Полученные прообразы преобразуются (или «сращиваются») в код, соответствующий образу синтезируемой ТКВ, а затем отображаются в граф. Результаты этапа Э-2 позволяют определить расчётные параметры состояния воздуха на входе и выходе каждого агрегата перспективной СКВ, оценить её годовое энергопотребление и базовое значение приведённых затрат.
Этап «Анализ (ЭЗ)» заключается в исследовании распределений параметров состояния воздуха внутри агрегатов и во времени. Они наблюдаются в окрестности расчётного режима функционирования, определённого состояниями воздуха по предыдущим этапам. Применение термодинамического подхода и гипотезы сплошности ведёт к решению граничных задач для системы уравнений неразрывности, переноса количества движения, внутренней энергии и влаги. Заключительная процедура этапа координирует реализации вычислительных экспериментов по всем процедурам системного моделирования.
Системная модель позволяет разрабатывать взаимосвязанные математические описания отдельных элементов СКВ и ТКВ в целом. Она инвариантна к процессам, алгоритмам и структурам, подвергаемым описанию. Структура модели определяет организацию информационного и программного обеспечения исследования. Алгоритм её применения, даёт возможность гибкого использования результатов анализа перспективных технических решений, а также создаёт предпосылки сокращения сроков совершенствования ТКВ.
Исходя из системной модели изложено содержание предлагаемых методов и алгоритмов как информационной технологии получения новых знаний о кондиционировании воздуха. При этом рассмотрено кодирование, структурное распознавание и логический синтез образа ТКВ, логический анализ информационно-структурных моделей СКВ (суть, которых составляют графы СКВ) и её алгоритма управления.
В третьей главе рассмотрены элементы синтеза ТКВ, в частности, методы, обеспечивающие ряд процедур системного моделирования.
Процедура поиска прототипов агрегатов СКВ содержит пять операций. Первая операция предусматривает группирование статистических данных. Численное решение задачи предлагается на основе итерационных схем. Линейный регрессионный анализ установленных групп служит вычислению оценок эффективности применения каждой группы и является содержанием второй операции. Третья операция связана с реализацией модели динамического программирования распределения капиталовложений в группы агрегатов СКВ установленные и оцененные предыдущими операциями. Принятие решения при выборе прототипа обеспечивается в четвёртой операции по одному из трёх предлагаемых критериев. Пятая операция заключается в оценке интенсивности источников избыточного тепла и влаги в пространстве, обслуживаемом базовой СКВ.
Процедура синтеза вероятной /-^/-кривой годового изменения состояния наружного воздуха содержит две операции. Первая операция генерирует сеточ-
ную область, на которой ищется решение. Феноменологический выбор узлов сеточной области имеет альтернативу, реализуемую формальными итерационными схемами и схемами, основанными на содержательной стороне задачи. Вторая операция заключается в динамическом программировании максимально вероятной траектории изменения состояния наружного воздуха на полученной сеточной области. Результат динамического программирования имеет вид счётного множества пар символов двоичного алфавита.
Синтез многошагового управляемого изовлажностного теплообмена обеспечивает модель динамического программирования. На каждом шаге состояние СКВ определяется одним параметром состояния - удельной энтальпией влажного воздуха (без фазовых переходов). Управление характеризуется двумя параметрами - удельным количеством теплоты, переданным воздуху, и удельной работой, совершаемой воздухом при изменении его объёма. Связь между параметрами состояния и управления объясняется основным законом термодинамики. Критерий оптимальности управления определяется как максимум эксплуатационных затрат на искусственное изменение энтальпии воздуха с постоянным влагосодержанием, что принято за оценку работоспособности СКВ. Кроме того, последовательный анализ различных участков вероятной I-d-кривой годового изменения состояния наружного воздуха с постоянным влагосодержанием служит генерации сеточной области, предназначенной для последующего моделирования искусственного изменения состояния воздуха.
Другая модель динамического программирования обеспечивает синтез оптимальной последовательности технологических режимов в СКВ. Состояние СКВ определяется одним параметром - температурой воздуха. Параметром, характеризующим управление, является изменение температуры при переходе от предыдущего состояния к последующему. Параметр управления линейно связан с энтальпией и влагосодержанием воздуха, которые заданы в узлах полученной (или заданной феноменологически) сеточной области. Оптимальность
управления достигается максимумом или минимумом оценки годового энергопотребления СКВ. Критерий оптимальности минимизируется при поиске эко-номичного в эксплуатации варианта СКВ и максимизируется при поиске наиболее надёжного. Рассмотрению подлежат различные начальные состояния воздуха, которые принадлежат вероятной /-^-кривой годового изменения состояния наружного воздуха.
Динамическое программирование применяется для синтеза множества прообразов ТКВ, а логическое проектирование является инструментом преобразования полученных прообразов ТКВ. В информационное обеспечение логи-
^ ческого проектирования образа ТКВ входит порождающая матрица базовой СКВ с сопоставленным ей набором логических выражений и логические функции переключения технологических режимов. Рассмотрен, алгоритм логического синтеза образа ТКВ на базе сформулированных принципов структурного распознавания прообразов ТКВ, выбора из них «основного» и последующего логического анализа вариантов присоединения к нему элементов других прообразов.
.^ Изложен подход, координирующий реализации вычислительных экспе-
риментов по всем процедурам системного моделирования на основе анализа решения задачи линейного программирования. Её ограничения в форме явных неравенств определяются предельными значениями параметров структуры отдельных агрегатов (или их внутренних процессов), которые устанавливаются на этапе «Анализ (ЭЗ)». Нахождение минимума изменения приведённых затрат относительно базового значения полученного по результатам синтеза ТКВ позволяет осуществить выбор единственного предельного значения параметра, характеризующего отдельный вариант каждого моделируемого агрегата совер-
'*' шенствуемой СКВ (или его внутреннего процесса).
Четвёртая глава посвящена анализу процессов в узлах кондиционирования воздуха на основе разрабатываемой методологии системного моделирования.
Анализ связи состояния воздуха в помещении, обслуживаемом перспективной СКВ, с сезонным распределением температуры наружного воздуха строится по результатам интегрирования граничной задачи для дифференциального уравнения теплопереноса. Они позволяют оценить предельные значения отклонения мощности избыточных источников тепла в обслуживаемом помещении, ограничивающие множество решений упомянутой выше задачи линейного программирования.
Анализ процесса нагнетания воздуха в СКВ обеспечивают полученные интегралы уравнений движения сплошной среды. Классические модели не применимы к анализу структуры дискового вентилятора потому, что рассматривают движение среды в полуограниченном пространстве над вращающимся диском и не учитывают влияние смежного диска. Предложенная модель подтверждает влияние на выбор расстояния между дисками частоты вращения рабочего колеса и устанавливает связь между производительностью и напором дискового вентилятора. Результат применения разработанной модели при системном анализе ТКВ выражается в переходе от множества критериев подобия, имеющих экономический смысл к множеству, содержащему критерии геометрического подобия, критерий Эйлера и критерий Рейнольдса.
Предложенная модель течения в струйном распределителе использует интегральную форму уравнений количества движения сплошной среды и известный профиль продольной скорости в пограничном слое. Итоговая зависимость устанавливает связь расхода в выходном канале струйного распределителя с избыточным давлением на входе в него и содержит три эмпирических параметра. Эмпирические параметры определяются геометрией выходного канала и давлением на входе в него. Системное моделирование распределения среды в
общем случае, когда среда не является воздухом, требует дополнительной информации, например, в форме ограничения на коэффициент орошения. Результатом системного моделирования являются геометрические размеры выходного канала и давление на входе в него.
Рассмотрен анализ процессов в контактном аппарате на основе системного моделирования, который обеспечивает выбор критериев физического подобия. При этом параметры установившихся внутренних процессов функционирования контактного аппарата связываются с ограничениями на производительность СКВ, а параметры нестационарных процессов с ограничениями на мощность тепловой энергии, передаваемой при обработке воздуха.
Анализ управления калорифером, содержащим вращающийся диск и движущийся источник интенсивной тепловой энергии, основано на моделировании динамики температурного поля диска. Граничные условия для дифференциального уравнения теплопроводности диска учитывают его осевую симметрию, теплоотдачу его боковой поверхности и поверхности одного из оснований нагреваемому воздуху, а также распределение потока тепла подводимого к другому основанию. Цель управления заключается в нагреве диска до известной температуры, а его оптимальность достигается при минимуме отклонения средней по объёму температуры диска от значения в исходном состоянии. Оптимальное управление реализует определяемая зависимость радиального перемещения источника тепла от времени. На число Нуссельта влияют критерии Био, Кирпичёва, отношение теплопроводности диска и воздуха, а также управление. Применение разработанной модели в системном анализе СКВ обеспечивает выбор значения мощности тепла, отдаваемого воздуху основанием диска. Известное критериальное соотношение между числами Нуссельта и Рейнольдса при обтекании нагреваемой поверхности воздухом позволяет определить производительность калорифера.
Пятая глава посвящена анализу систем с воздухопотреблением в тонких сопряжённых слоях на основе разрабатываемой информационной технологии.
Рассмотрен анализ динамики десублимации водяного пара из осушаемого воздуха. Процесс моделирует система уравнений теплопереноса в охлаждаемой стенке десублиматора и в сопряжённом с ней слое десублимата. Кинетика роста толщины десублимата описывается формулой Герца - Кнудсена - Ленгмюра и характеризуется средней интенсивностью десублимации за период кондиционирования воздуха. Средняя интенсивность десублимации определяется заданным общим давлением паровоздушной смеси в десублиматоре. При системном моделировании осуществляется выбор значения мощности тепла, отводимого от паровоздушной смеси к охлаждаемой стенке десублиматора. Выбор обеспечивает связь числа Нуссельта с критериями Фурье, Пекле, Кутателадзе, с отношением теплопроводности стенки и десублимата, а также с определённой зависимостью толщины десублимата от времени.
Особенность моделирования устройств с воздушной несущей прослойкой (НП) обусловлена её гидродинамическими свойствами. Эти свойства не могут быть выражены только геометрией заполненного ею зазора между неподвижной и свободной поверхностью.
Предложенная математическая модель пневмоконвейера с НП содержит дифференциальные уравнения движения сплошной среды с граничными условиями в окрестности прямоугольного питающего кармана давления, уравнение состояния ВС, уравнения внешних связей свободной поверхности и НП.
Результат интегрирования сформулированной граничной задачи имеет вид гармонических рядов с коэффициентами, удовлетворяющими алгебраической системе линейных уравнений. Ре шение алгебраической системы уравнений определяет равнодействующую внешних сил на свободную поверхность и толщину НП. В частном случае, когда допустимо пренебречь сжимаемостью воздуха в НП, равнодействующая внешних сил на свободную поверхность и
толщина НП пропорциональны соответствующим обобщённым характеристикам структуры пневмоконвейера, которые определяются геометрией питающе-го кармана давления. При системном анализе учитывается связь ограничивающих значений производительности СКВ с полученными обобщёнными характеристиками.
Условная оптимизация геометрии питающего кармана осуществляется при заданной площади отверстий в нём и выбранном критерии Рейнольдса по критерию минимума оценки мощности, затрачиваемой на прокачку воздуха через устройство.
Анализ связи мощности потребляемой при управлении пневмоконвейе-
ром с характеристиками переходного процесса в НП обеспечивают предлагаемые динамические модели течения воздуха между неподвижной и свободной поверхностью агрегата. Интегралы сформулированных нестационарных задач для поля давления и скорости течения воздуха получены в форме разложений по степеням поперечной координаты для случая малых перемещений свободной поверхности. Применение результатов интегрирования обусловлено огра-
u ничением средней мощности управления на определяемом промежутке времени.
Моделирование теплопереноса в канале с тонкими сопряжёнными слоями воздуха и воды, должно учитывать гидродинамическую и теплофизическую стороны процесса. Гидродинамическую суть предлагаемой модели выражает параболическое распределение скорости течения ВС при условии «прилипания» на границе контакта воздуха с водой и на стенке канала. Теплофизику процесса моделирует распределение температуры в канале, удовлетворяющее нестационарным уравнениям теплопереноса в слоях воздуха и воды, а также
^ граничным условиям первого рода на стенках канала. Взаимодействие воздуха и воды на границе контакта определяет равенство их температуры и условие сопряжения для тепловых потоков с учётом фазового перехода. Тепловой поток
от стенки канала к покрывающему её слою воды слагается из трёх динамических составляющих - кондуктивной, конвективной и от фазового перехода. При системном анализе охлаждающего пневмоконвейера теплоперенос в водовоз-душной прослойке связывается с ограниченной мощностью тепла отводимого от смоченной поверхности канала.
В шестой главе рассмотрены вопросы разработки информационного и программного обеспечения моделирования ТКВ, а также примеры реализаций вычислительных экспериментов.
Реализация процедур разработанной системной модели осуществляется * во взаимодействии с информационным и программным обеспечением. Эффективность данного взаимодействия достигается определённой организацией элементов программного обеспечения в виде программных комплексов, ориентированных на обслуживающие автоматизированные рабочие места вычислительного типа
Кроме внешнего представления логического уровня организации программного и информационного обеспечения проектирования ТКВ системная ^\ модель предлагает план применения программных комплексов, их пунктов и подпунктов.
Связи математического и программного обеспечения синтеза и анализа ТКВ проявляются между этапами проектирования в системной модели и программными комплексами, между процедурами этапов и пунктами комплексов, между операциями процедур и подпунктами пунктов. Эффективность использования упомянутых связей определяется правилами их идентификации и техническими средствами.
Разработанное описание информационного обеспечения синтеза ТКВ в форме спецификаций структур параметров является инвариантным относительно методов анализа математических моделей, а также средств разработки и применения программных комплексов.
Методика применения разработанной информационной технологии получения новых знаний о ТКВ рассмотрена на примерах реализаций вычислительных экспериментов.
Заключение содержит основные выводы и комментарии к результатам работы.
В приложение вошли акты внедрения результатов диссертационного исследования, свидетельства о государственной регистрации разработанного программного обеспечения и материалы, иллюстрирующие применение информационной технологии для получения новых знаний о ТКВ.
Математическое моделирование термодинамического состояния воздушной среды
Синтез СКВ связан с выявлением структуры технологического процесса кондиционирования воздуха и разработкой алгоритма функционирования как системы в целом, так и её отдельных подсистем (см. рис. 1.1). Под алгоритмом функционирования понимается программа выполнения и последовательной смены процессов функционирования. Кортеж дополнительных признаков этого показателя представим в виде АФ{ЛСА(Нг\ ПТР(А)), (1.1.8) где ПТР - переключение технологических режимов; ЛСА - логическая схема алгоритма; Д НЕ- значения дополнительных признаков кортежа. Под структурой технологического процесса кондиционирования воздуха понимаются необходимая совокупность и способы соединения технологиче ских агрегатов тепловлажностной обработки, перемещения и смешения возду ха, которые должна содержать система для реализации алгоритма функциони рования и достижения желаемого уровня эффективности. Агрегаты структуры характеризуются однонаправленностью функционирования в теплотехниче ском отношении. Соответствующий показатель в (1.1.2) имеет вид tf СТ(Агрегаты{В1), CAP(ABZ)}, (1.1.9) где САР - система автоматического регулирования ПФ; В?, ABz - множества значений дополнительных признаков кортежа. Структура технологического процесса кондиционирования воздуха существенно влияет на варианты структуры управления. Это означает, что вопросы автоматизации СКВ и выбора технологической схемы кондиционирования взаимосвязаны. Указанная взаимосвязь проявляется в кортежах (1.1.8) и (1.1.9) через понятия «ПТР» и «САР». Первое отражает выбор последовательности ПФ ( в зависимости от сезонных изменений НВ, а второе механизм стабилизации состояния воздуха ОП при колебаниях интенсивности тепло- и влаговыделений в СКВ. =1005, Са - удельные теплоемкости сухого воздуха при Т=273 К и влажного воздуха при постоянном давлении соответственно, Док/(кг-К); TL, Tv, Та - абсолютные температуры воды, водяного пара и влажного воздуха соответственно, К; Pa=Pg+Pv - барометрическое давление влажного воздуха, Па; Pg=pgRgTa, Pv - парциальное давление сухого воздуха и водяного пара (упругость насыщенного водяного пара) соответственно, Па; Rg =R g/mg= 287,04, Rv = R g I mv = l,61 Rg=461,43 - газовые постоянные сухого воздуха и водяного пара соответственно, Дж/(кг-К); R=8314 - универсальная газовая постоянная, о Дж/(кмолъ-К); mg =28,96, mu=18,02- молекулярные массы сухого воздуха и водяного пара соответственно, кг/кмоль; pg = 0,35 № 2Pg /Та, p g = 1,19 - плотность сухого воздуха, кг/м3; ra=2500-l(f- удельная теплота парообразования для воды при Т=273 К, Дж/кг; I = Cgp)(Ta -273), Іи=га+ С{Р){Та - 273) удельные энтальпии сухого воздуха и водяного пара во влажном воздухе при температуре Та соответственно, Дж/кг\ 1а - удельная энтальпия влажного воздуха при однофазном состоянии, Дж/кг; d = 0,001 d = М0 IМ = pv I р = = ши-Ри l{mg Pg) = 0,622 Pvl(Pa -Pv)- влагосодержание воздуха (масса водяного пара, приходящаяся на 1 кг сухой части влажного воздуха), кг/кг; Р = Ри(Та)/PuATa) = Pu(Ta)/pvs(.Ta) относительная влажность воздуха; Ра(Та) - парциальное давление насыщенного водяного пара в насыщенном влажном воздухе при температуре Та, Па. Величины 1и и IL в (1.2.3), (1.2.5) фиксированы. При отсутствии фазовых переходов они могут быть произвольными и, в частности, равными нулю. При температуре насыщения TS=TS(P ), когда TU=TL=TS, разность энтальпий равна удельной теплоте парообразования: откуда следует условие нормировки Энтальпия влажного воздуха (1.2.5) не зависит от изменения его давления Ра, если d(Pcl)=const. Наличие во влажном воздухе массообмена (d Ф const) требует учета влияния переменного давления на энтальпию влажного воздуха, осложняющего процесс кондиционирования.
Используя свойство аддитивности энтальпии, в [147] предложено рассматривать сложный процесс кондиционирования с результирующей энтальпией как сумму двух простых, один из которых учитывает изменение состояния воздуха без фазовых переходов, а другой - только за счет них: л где d 0,d - начальное и текущее влагосодержание воздуха; (Га -273) - единичная ступенчатая функция Хевисайда, (7 -273) = 0 при Та 273 К, дх{Та -273) = 1 при Та 273 К; Tai — температура воздуха по мокрому термометру, К; rL=335-103 - удельная теплота плавления льда, Дж/кг. Давление насыщенного пара в смешанном состоянии по [147] предлагается определять с учетом жидкой и твердой фаз воды в потоке: Зависимости (1.2.10), (1.2.11) записаны для процесса расширения при стабильных состояниях пара и жидкости. При больших скоростях охлаждения расширяющегося воздуха возможно возникновение метастабильных состояний двух типов. Первое характеризуется наличием в потоке перенасыщенного (переохлажденного) пара ( р 1), второе наличием переохлажденной жидкости (при Т 273 К). Для этих случаев связи (1.2.10), (1.2.11) преобразуются некоторой заменой функции Хевисайда Ьі(Та).
Системная модель информационной технологии получения новых знаний о кондиционировании воздуха
Существует потребность в интенсивном совершенствовании СКВ, предназначенных для массового производства и обслуживающих помещения различного назначения, в частности, производственные и административные помещения, склады и т.п., поскольку требования к параметрам кондициони руемого воздуха непрерывно возрастают. Интенсификация поиска новых технических решений требует совершенствования не только методов расчёта от Щ дельных агрегатов СКВ, но и развития моделирования ТКВ в целом, которому уделяется недостаточное внимание. Классификация нагрузок на СКВ в распространённых моделях тре бует задания двух параметров мгновенного состояния НВ и производительно сти системы, определяющих суть понятия «расчётный режим». В настоящее время выбор перечисленных параметров, а также интенсивности источников тепла и влаги в обслуживаемом пространстве при синтезе СКВ для массового V производства осуществляется из эвристических соображений. Феноменологический подход к построению I-d-диаграммы искусст венного изменения состояния воздуха в синтезируемой СКВ нуждается в раз работке альтернативы - информационной технологии получения и накопления новых знаний о кондиционировании воздуха.. Распространённый подход к моделированию СКВ устанавлива ет связь между определённым классом нагрузок и необходимыми функ циональными воздействиями на воздух. Для интенсификации поиска новых технических решений необходимы модели, учитывающие, что, алгоритмы функционирования СКВ, каждый из которых оптимален для соответствующего ему «расчётного режима», конкурентоспособны на множестве классов нагрузок. . В настоящее время отсутствует модель, вскрывающая связи алго ритма функционирования СКВ, её структуры и функциональных воздействий на воздух, а, следовательно, обоснованный механизм их совершенствования. Новая концепция моделирования рассматриваемой предметной области должна учитывать это обстоятельство и не ограничиваться исследованием основного понятия из перечисленного выше множества. . При синтезе СКВ связь её технологических параметров с показате лями эффективности прослеживается только через функционально-технические характеристики оборудования. Сложившаяся ситуация объясняется тем, что профиль и типоразмер оборудования являются исходной информацией для оп ределения конструктивно-компоновочных показателей и капитальных затрат, причём выбор технических средств не влияет на топологию СКВ. Более полный учёт взаимодействия структуры и функциональных воздействий на воздух ну ждается в развитии методологии системного анализа СКВ и заключается в де тальном исследовании параметрических связей между состоянием кондицио Ф нируемого воздуха, структурой всей СКВ и конструкцией отдельного агрегата кондиционирования.. Для углубленного анализа параметрических связей в СКВ необходимы новые модели, учитывающие пространственное и временное распределения параметров состояния воздуха в её агрегатах.
Совершенствование всего комплекса средств системного моделирования СКВ требует специальной организации информационного обеспечения ф интерактивных процедур поиска перспективных технических решений, поскольку требования к современным банкам данных по необходимому множеству технологических параметров существующей элементной базы СКВ не сформулированы. Сформулируем цель и задачи исследования. Целью работы является разработка методологии комбинированного применения логического и оптимизационного моделирования как информационной технологии получения новых знаний о структуре, алгоритме и процессах в совершенствуемой системе «воздухоподготовка - воздухопотребление» при про- ведении вычислительного эксперимента и интерпретации его результатов для синтеза перспективной ТКВ.
Синтез характерных состояний воздуха при управлении изовлажностным теплообменом
Задачу определения множества понятий, раскрывающих направления совершенствования ТКВ решает концептуальная модель. Системная модель информационной технологии получения новых знаний о кондиционировании воздуха, развивает принятую концепцию в деталях, предлагая план изучения рассматриваемой предметной области. Содержание системной модели сосредоточено в трёх столбцах и пяти строках таблицы по числу охваченных этапов получения знаний и задействованных элементов концептуальной модели соответственно. Экономическая оценка описываемой, синтезируемой и, наконец, анализируемой ТКВ завершает каждый этап и последовательно отражает эффективность системного моделирования.
Ряд процедур системного моделирования связан с формализациями известных и получаемых решений по структуре и алгоритму функционирования СКВ - информационно-структурными моделями кондиционирования (ИСМК). Суть ИСМК - это графы и логические схемы алгоритмов (ЛСА), в которых поток воздуха рассматривается как носитель информации о способах и средствах кондиционирования.
Представление образа ТКВ в виде T-J-кривых естественного и искусственного изменения состояния воздуха допускает применение двоичной арифметики, а, следовательно, переход к машинным методам логического анализа. Вскрытая возможность применения корректирующих кодов позволяет модернизировать и приспосабливать синтезируемые образы путём обнаружения и исправления ошибок и «стираний».
Взаимосвязь ИСМК с кодированным образом ТКВ устанавливается системой функции алгебры логики (формалью), содержащей условия ЛСА сопоставленные единичным символам кода. Логический синтез образа ТКВ, а, следовательно, и ИСМК, регламентирован принципами и правилами, которые можно рассматривать как элементы базы знаний.
Типовые решения, привлекаемые к исследованию, представлены для ТКВ ОП промышленных, общественных и жилых зданий в виде 15 ИСМК. База данных типовых ИСМК имеет вид порождающей матрицы, содержащей 15 строк и 21 столбец. Её строками являются корректирующие коды, которые моделируют типовые СКВ и имеют следующие свойства: избыточность линейного кода равна 2/7»0,286; минимальное число символов, по которым отличаются строки порождающей матрицы равно 3; позволяют надёжно обнаруживать 2 ошибочных символа, исправлять 2 «стёртых» и исправлять одну ошибку при отсутствии «стираний».
Формаль, сопоставленная кодам типовых ИСМК, сосдержит 6 логических функций, использующих 15 аргументов. Аргументы формали классифицируют состояния НВ и отображают ограничения, учитывающие сложившуюся практику (см. подраздел 1.3).
Автограмма типовой ПП САУ KB содержит 6 пунктов, что соответствует числу вариантов стабилизации выходных переменных состояния и переключений технологических режимов (ПТР). Содержание автограммы отражают 4 логических функции включения и 4 выключения агрегатов, осуществляющих нагрев, охлаждение, ИЭВ и ПТВ. Восемь логических функций ПТР зависят от 22 аргументов, представленных следующими тремя группами и отличающихся от аргументов по пункту 2.7.6: группа из 12 аргументов отображает условия контроля состояния воздуха в ОП; группа из 6 аргументов отображает условия сигнализации крайних положений регулирующих органов; группа из 4 аргументов отображает условия регулирования управляющих воздействий. Кодированные формы полученных логических функций ПТР обеспечивают интерактивные процедуры синтеза ТКВ информацией о возможных вариантах использования типовых элементов ПП САУ KB и относятся к базе знаний упомянутой в пункте 2.7.4.
Математическая модель и анализ характеристик дискового вентилятора
Последовательность процедуры поиска прототипов агрегатов СКВ содержит пять операций: 1) группирование статистических данных, осуществляемое на основе итерационных схем; 2) оценка эффективности применения каждой группы путём линейного регрессионного анализа; 3) численная реализация модели динамического программирования распределения капиталовложений в установленные группы агрегатов СКВ; 4) выбор прототипа по одному из трёх предлагаемых критериев; 5) оценка интенсивности источников избыточного тепла и влаги в пространстве, обслуживаемом базовой СКВ.
Последовательность процедуры синтеза вероятной /- -кривой годового изменения состояния НВ содержит две операции, соответственно состоящие 1) в генерации сеточной области, на которой ищется решение; 2) в динамическом программировании максимально вероятной траектории изменения состояния НВ на полученной сеточной области. Феноменологический выбор узлов сеточной области имеет альтернативу, реализуемую формальными итерационными схемами и схемами, основанными на содержательной стороне задачи. Результат динамического программирования имеет вид счётного множе ства пар символов двоичного алфавита.
Генерация сеточной области, предназначенной для моделирования искусственного изменения состояния воздуха, обеспечивается применением предлагаемой модели динамического программирования к различным участкам вероятной T-d-кривой годового изменения состояния НВ с постоянным влагосо-держанием. При этом состояние СКВ определяется одним параметром состояния - удельной энтальпией влажного воздуха (без фазовых переходов), управление характеризуется двумя параметрами - удельным количеством теплоты, переданным воздуху, и удельной работой, совершаемой воздухом при изменении его объёма. В модели связь между параметрами состояния и управления объясняется основным законом термодинамики, а максимум эксплуатационных затрат принят за оценку работоспособности СКВ.
В модели динамического программирования, обеспечивающей синтез оптимальной последовательности технологических режимов в СКВ, состояние воздуха характеризуется его температурой. Изменение температуры при переходе от предыдущего состояния к последующему отражает управление, линейно связанное с энтальпией и влагосодержанием воздуха, которые заданы в узлах полученной (или заданной феноменологически) сеточной области. Оптимальность управления достигается максимумом или минимумом оценки годового энергопотребления СКВ, причём критерий оптимальности минимизируется при поиске экономичного в эксплуатации варианта СКВ и максимизируется при поиске наиболее надёжного. Различные начальные состояния воздуха, которые представлены точками на вероятной /- -кривой по пункту 3.7.2, определяют реализации вычислительного эксперимента на модели.
Динамическое программирование является инструментом процедур синтеза множества прообразов ТКВ (см. пункты 3.7.1-3.7.4), а логическое проектирование - инструментом его преобразования в образ ТКВ. Порождающая матрица базовой СКВ, формаль соответствующего ей формера и логические
функции ПТР алгоритма управления СКВ входят в информационное обеспече ние логического проектирования образа ТКВ. Алгоритм логического проекти рования образа ТКВ разработан на базе сформулированных принципов структурного распознавания прообразов ТКВ, выбора из них «основного» и последующего логического анализа вариантов присоединения к нему элементов других прообразов.
Координация вычислительных экспериментов по всем процедурам системного моделирования основана на анализе решения задачи линейного программирования. Её ограничения в форме явных неравенств определяются предельными значениями параметров структуры отдельных агрегатов (или их внутренних процессов). Нахождение минимума изменения приведённых затрат относительно базового значения полученного по результатам синтеза ТКВ позволяет осуществить выбор единственного предельного значения параметра, характеризующего отдельный вариант каждого моделируемого агрегата совершенствуемой СКВ (или его внутреннего процесса). Процедура 1-ЭЗ (2.2.32) системной модели предусматривает анализ динамики теплопоступлений через наружные ограждения ОП, определяемые изменением температуры НВ.
По [169] суточное изменение параметров НВ предлагается рассматривать как периодическое в т.н. «летних расчётных условиях». При этом применяется гармонический анализ.
В [27] изменение параметров НВ отражает распределение их среднемесячных значений, полученных по данным многолетних наблюдений. Соответствующие кривые годовых изменений параметров имеют плавный характер и приближаются к гармоническому виду. Указанное свойство объясняется периодичностью изменения температуры, энтальпии и интенсивности солнечной радиации, а также защитными свойствами наружных ограждений ОП, сглаживающими влияние случайных факторов, Все случайные явления несистематического характера при моделировании исключены.
Концепция ВС (1.2.1) учитывает случайный характер внешних связей ОП СКВ в зависимости от задаваемых плотностей распределения вероятности параметров НВ. Рассмотрим методику моделирования применительно к распределению температуры ВС в ОП.
