Введение к работе
Актуальность темы исследования. Условия осуществления
технологических процессов производства химических волокон определяют структурные параметры получаемого волокна. С другой стороны, все свойства волокон определяются их структурой. Связь между физическими параметрами технологических процессов и структурой волокон обычно очень сложна и включает много переменных величин, характеризующих процесс, структуру и свойства. Например, заданное значение важнейшего свойства волокна – прочности, – достигается в процессе его ориентации при формовании. Ориентационные процессы возникают при напряжении и определяются силами, действующими на нить. Силы, в свою очередь, зависят от технологических условий, например, таких как скорость приемки волокна.
Вопросы и проблемы математического моделирования элонгационного течения струй жидкости, лежащих в основе технологических процессов формования химических волокон, рассматривали: Каваи Х., Зябицкий А., Касе С., Матсуо Т., Перепелкин К.Е., Тагер А. А., Чанг Дей Хан, Шаповалов В.М. Анализ теории технологических и физических проблем аэродинамического формования волокон проведен в работах Гениса А.В., Гогоса К., Жиганова Н.К., Зябицкого А., Каваи Х., Лялькина Г.Б., Синдеева А.А., Тадмора З., Фильберта Д.В., Филянда Л.В.
Проведение исследований на реальных технологических процессах производства химических волокон является весьма дорогостоящим занятием. Формование волокна – комплексный, многопараметрический технологический процесс. Для его исследования необходимо применять математическое моделирование, позволяющее оптимизацировать технологические режимы и сокращать затраты на опытные работы.
В связи с этим исследование и создание математических моделей, которые связывают свойства волокон с условиями процессов их формования, а также разработка и реализация высокоэффективных методов и алгоритмов, позволяющих моделировать эти зависимости, являются актуальной научной и практической задачей.
Диссертация выполнена в соответствии с приоритетным направлением научных исследований Тверского государственного технического университета по госбюджетной НИР № ГБ34-2016 по теме «Прикладное программное обеспечение для моделирования и мониторинга технологических процессов».
Объект исследования – процесс формования химических волокон.
Предмет исследования – применение математического моделирования, численных методов и комплексов программ для решения прикладных задач процесса формования и получения химических волокон высокого качества.
Целью работы является создание и применение математических моделей и комплекса программ для решения научных и технических задач модернизации и прогнозирования в технологии производства химических волокон.
Для достижения цели диссертационной работы необходимо решение следующих задач.
-
Получить математическое описание процессов формования химических волокон из расплава с приемным устройством (ФПУ) и аэродинамического формования волокон (АФВ).
-
Проверить адекватность математических моделей.
-
Разработать алгоритм решения уравнений математических моделей.
-
Разработать систему компьютерного моделирования, позволяющую выполнять комплексное исследование формования химических волокон, на основе рассмотренных математических моделей.
-
Провести математическое моделирование (вычислительный эксперимент) процессов формования. Выполнить расчет сил, получить оценку, выявить относительный вклад каждой силы в общий баланс, сравнить силы при обоих видах формования, определить количественную зависимость между условиями технологического процесса и свойствами получаемого волокна.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы основные уравнения гидродинамики (Новье-Стокса) и теплообмена в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений (СОДУ), численные методы их решения, метод сплайн-интерполяции, методы объектно-ориентированного программирования.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Работа
соответствует паспорту специальности 05.13.18 «Математическое
моделирование, численные методы и комплексы программ», пунктам 4, 5, 8.
Научная новизна диссертационной работы
-
Выполнена модификация математической модели аэродинамического формования, которая заключается в использовании нового выражения для расчёта аэродинамической силы, учитывающего факт, что аэродинамическая сила является до эжектора силой сопротивления, а после него – тянущей.
-
Разработан регрессионный метод сведения краевой задачи к задаче Коши при моделировании формования химических волокон, основанный на уравнении регрессии, связывающем известное граничное условие и искомое начальное условие. Предложенный метод примерно на 30% сходится быстрее известных методов. Алгоритм моделирования содержит верификацию численных решений системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений расчётом исходного уравнения баланса сил.
-
Разработана система компьютерного визуального моделирования, позволяющая в условном виде отображать схему технологических процессов формования химических волокон, связи между его элементами и их характеристиками, редактировать параметры элементов схемы, выполнять расчет сил (реологической, инерции, аэродинамического трения, тяжести, поверхностного натяжения), действующих на волокно, отображать в графическом виде рассчитанные данные, экспортировать полученные результаты расчета для их исследования в более функциональных системах.
-
Проведенный вычислительный эксперимент позволил выявить силы, оказывающие наибольшее влияние на формирование структуры волокна как вдоль пути формования, так и в зависимости от скорости движения волокна. Предложена редуцированная (упрощенная) математическая модель формования с приемным устройством и доказана возможность её применения.
-
Для аэродинамического формования волокон определена связь между параметрами технологического процесса – скоростью воздуха в эжекторе, – и свойством волокна – радиусом, – а именно, установлена линейная зависимость конечной скорости волокна (связанного с конечным радиусом волокна) от средней скорости воздуха в эжекторе. Эта зависимость позволяет управлять радиусом формуемой нити.
Научные результаты теоретически обоснованы и подтверждены корректным использованием математического аппарата и экспериментальными данными, а также результатами практического внедрения в производство химических волокон.
Практическая ценность заключается в использовании разработанных
математических моделей формования химических волокон для исследования
процесса их формования. Математические модели применены при
проектировании новых и оптимизации имеющихся процессов формования, при
изменении ассортимента волокна, когда необходимо подбирать технологические
параметры на промышленном оборудовании. При этом минимизируются
затраты на проведение опытных трудоемких и дорогостоящих работ.
Использование системы компьютерного моделирования процесса формования
сокращает затраты на выполнение предпроектных технологических
исследований и расчетов, что подтверждается результатами практического внедрения для реальных технологических процессов на АО «КуйбышевАзот» г. Тольятти при производстве высокопрочных полиамидных нитей.
На защиту выносятся
-
Полученная в результате вычислительного эксперимента количественная оценка сил, действующих на волокно в процессе формования, которая позволила упростить математическую модель формования с приемным устройством, сократив число членов уравнения движения.
-
Редуцированная математическая модель формования с приемным устройством, учитывающая силы, оказывающие наибольшее влияние на волокно при формировании.
-
Математическая модель аэродинамического формования, отличающаяся от известных модифицированным выражением для расчета аэродинамической силы.
-
Установленная связь между входной величиной модели аэродинамического формования, средней скоростью воздуха в эжекторе (параметром технологического процесса), и выходной величиной, радиусом формуемого волокна (параметром волокна). Тем самым определен канал управления технологическим процессом.
-
Регрессионный метод сведения краевой задачи к задаче Коши при моделировании формования химических волокон, основанный на уравнении регрессии, связывающем известное граничное условие и искомое начальное условие.
-
Система компьютерного визуального моделирования для исследования процесса формования химических волокон.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 24-26, 28 Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологии», Саратов, 2011, Саратов, 2012, Нижний Новгород, 2013, Ярославль, 2015; IX Всероссийской научно-технической конференции, Тула, 2011; на научных семинарах ТвГТУ.
Внедрение. Результаты работы внедрены в АО «КуйбышевАзот» г.Тольятти на производстве высокопрочных полиамидных нитей. Разработанная компьютерная системы применена на стадии исследований для модернизации производства химических волокон, что позволило снизить затраты на дорогостоящие опытные работы на реальных установках. Расчеты сил позволили прогнозировать изменения прочности материала при изменении параметров технологических процессов.
Также результаты работы внедрены в учебные процессы ФГБОУ ВО «ТвГТУ», на кафедре «Технология полимерных материалов», и ФГБОУ ВО «ТвГУ», на кафедре «Общая физика».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 5 в журналах, входящих в Перечень ВАК РФ. Подана заявка на регистрацию компьютерной системы 19.07.2016 №2016617954.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 111 наименований и 1 приложения. Диссертация содержит 148 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 9 таблиц.