Алгоритмическое и программное обеспечение системы регулирования турбулентности газового потока Воловик, Ольга Альбертовна

Введение к работе

Актуальность задачи; В различных сферах производственной деятельности, будь то энергетика, металлургия, авиация, космонавтика и т.п., имеют место технологические процессы, связанные с турбулентным движением сплошных сред. Ярким примером одного из таких процессов й,к тому же наиболее широко распространенным, является процесс сжигания топлива в камерах сгорания различных агрегатов. Пульсации давления, возникающие в турбулентных потоках Газовых сред в камерах сгорания, вызывают вибрации оборудования и преждевременный выход из строя рабочих аппаратов, а также приводят к нарушению заданных режимов функционирования, перерасходу топлива и, как следствие, загрязнению окружающей среды. Решение вопроса борьбы с нежелательными пульсациями давления, также как и вопроса повышений эффективности сжигания топлива, напрямую связано с регулированием турбулентности газовых потоков.

Фундаментальной теории турбулентности до сих пор не создано. Турбулентное движение называется хаотическим, беспорядочным и в то же время оно имеет относительно простые характеристики в виде, например, числа РейноЛьдса, довольно четко отражающего многие свойства потоков сплошных сред и этим самым противоречащим утверждению о хаотичности турбулентного движения. В науке и технике широко применятся такое понятие как Масштаб турбулентности (МТ), но принимаемые в расчетах МТ величины берутся довольно произвольно, что не дает возможности применять результаты исследований, полученных на одном агрегате, в решении аналогичных задач на агрегатах других конструкций.

Вопросы борьбы с пульсациями давления в турбулентных средах, вызывающими вибрации оборудования, предназна-

ченного Для сжигания топлива, довольно подробно освещены в технической литературе. Решение этих вопросов, как правило, сводится к предотвращению пульсаций при подаче топлива и окислителей в камеру сгорания, выбору оптимальней формы камеры сгорания у установке акустических поглотителей (резонаторов Гельмгольца) и разделительных Перегородок, улучшению распыления гоїілйва' и качества его смешения с окислителем. Но Все эти меры предпринимаются исходя Не столько Из теории, Сколько нз эмпирических данных. Поэтому, например, большую часть двигателей приходите}! "доводить" конструктивно на непитательном стенде уже после их изготовления, Ёуювально такие же вопросы стоят и перед теплотехниками, металлургами, но уже применительно к процессам сжигания топлива в горелках доменных воздухонагревателей, Практически аналогичных по размерам и производительности жид-котопливныы реактивным двигателям. Поэтому задача¹ нахождения универсального йараметра Оценки МТ в потоках сплошных среД, методов его контроля к регулирования при помощи¹ средстввычислИтельной техники является актуальной.

Цель работы, Целью диссертационной работы является разработка метода оперативного регулирования турбулентности газовых¹ потоков, а также алгоритмического й программного обеспечения системы, реализующей этот Метод в управлении технологическим Процессом сжигания іоплийа в камерах сгорания доменных воздухонагревателей.

Предмет исследования. Предметом исследования служат потоки сплошных сред.

Задачи исследования. Для Достижения поставленной Пели Необходимо решить,в частности, следующие задачи:

1) создать математическую и физическую модели турбулентного потока газовых сред, поступающего в камеру сгорания;

1. выявить показатель, адекватно отражающий масштаб турбулентности ;

2. разработать алгоритм, позволяющий оценить величину масштаба турбулентности по вышеупомянутому параметру;

3. разработать механизм эффективного регулирования МТ потока газовых сред;

4. разработать алгоритм регулирования МТ газовых потоков при помощи средств микропроцессорной техники;

5. разработать систему регулирования турбулентности газовых потоков в камерах сгорания доменных воздухонагревателей.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы элементы теории поля, законы теоретической физики (гидродинамики), теория автоматического регулирования и управления, теория цифровой фильтрации и ортогональных Преобразований дискретных сигналов^ Исследование эффективности разработанных алгоритмов осуществлялось путем Проведения вычислительных экспериментов на ЭВМ,

Научная новизна результатов. Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

!) дана трактовка понятия турбулентности, отличающаяся от общепринятой тем, что турбулентное движение считается не беспорядочным, хаотичным, а наоборот, строго упорядоченным И практически полностью поддающимся контролю;

6. найден параметр, адекватно характеризующий степень турбулентности потока;

7. разработан алгоритм вычисления показателя МТ;

8. разработан способ формирования потоков с заданным масштабом турбулентности;

9. сформулирована и решена задача осуществления оперативного регулирования турбулентности газовых Потоков в

крупных горелочных устройствах.

Основные положения, выносимые на зашиту;

1. физико-математическая модель турбулентного газового потока;

2. адекватная характеристика МТ;

3. метод определения МТ, применение результатов анализа МТ в управлении турбулентным потоком;

4. способы и средства формирования потоков с заданным масштабом турбулентности;

5} структура, алгоритмическое и программное обеспечение системы регулирования турбулентности в газовых Потоках.

Практическая ценность работы. Положения разработанного подхода к исследованию параметров турбулентности' дайт возможность построения аппарата количественной и качественной оценки МТ реальных потоков сплошных сред. Предложенный комплекс программных и аппаратных средств, обеспечивает оперативное регулирование турбулентности потока с целью поддержания оптимаяького режима Протекания технологического процесса. Применение разработанной системы позволяет увеличить эффективность сжигания топлива (мощность камер сгорания повышается в 1,5 - 2,0 раза при снижении удельного расхода топлива на 5 - 10%) и избежать нежелательных пульсаций давления газовых сред и , следовательно, разрушительной вибрации оборудования.

Реализация результатов исследования. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе Московского государственного технического университета гражданской авиации (МГТУ ГА) в курсе лабораторных работ по Дисциплине "Микропроцессорные системы", а также в НИР и ОКР фирмы "Резонант". Разработанная система регулирования турбулентности в газовых потоках внедрена на горелочных устройствах крупных промышленных теплотехнических агрега-

тов Череповецкого (ЧерМК) и Орского (ОХМК) Металлургических комбинатов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции "Наука и техника ГА на современном этапе." Москва, МГТУ ГА, 1994, на заседании кафедры Вычислительных машин, комплексов систем и сетей МГТУ ГА, на заседании кафедры Проблем управления МИРЭА.

Публикации. Материалы диссертации отражены в 6 печатных работах, 5 из них - патенты На изобретение.

Объем и структура диссертации, Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 77 наименований и двух приложений. Общий объем диссертации составляет 175 страниц, включая 28 рисунков и 6 таблиц.