Математическое моделирование. Численный эксперимент. Рубрика в журнале - Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии
Компьютерное моделирование узла выдачи расплава базальта из газоэлектрической вагранки
Статья научная
Качество получаемой из расплава базальта минеральной ваты зависит, в числе прочего, от постоянства расхода расплава, подаваемого из газоэлектрической вагранки на центрифугу, а также от физических и химических свойств расплава. Задача желоба «фидера», входящего в состав узла выдачи расплава, – обеспечивать стабильность передачи расплава, гасить пульсации расхода, поддерживать необходимую температуру. В настоящей работе работоспособность конструкции фидера была оценена с помощью компьютерного моделирования методами вычислительной гидрогазодинамики в рамках программного пакета ANSYS Fluent. Практика компьютерного моделирования промышленных процессов показывает, что эти методы позволяют оценить работу оборудования, не прибегая к дорогостоящим и долгим экспериментам. Оказалось, что предлагаемая конструкция фидера сравнительно эффективно гасит короткие пульсации расхода (период около 1 с) и пропускает медленные изменения (период более 100 секунд). Анализ поля скоростей расплава показал, что основные изменения скорости движения расплава происходят в верхней части потока. Скорости в нижней часть расплава практически не меняются при изменении расхода расплава. Моделирование показало, что увеличение размеров фидера (его высоты) не оказывает существенного влияния на стабилизацию выходного потока при быстрых колебаниях выходного потока, характерных для газоэлектрической вагранки (в том же диапазоне амплитуд). Модификация конструкции (установка перегородки в ванне желоба) позволяет повысить эффективность гашения как коротко- так и длиннопериодических колебаний. Для уменьшения застойных зон и снижения теплопотерь предлагается организовать наклонный сход расплава в ванну (использовать кирпич со срезом вместо прямоугольного).
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматривается задача математического моделирования микродоплеровских сигналов, отраженных от малоразмерных воздушных объектов, таких как беспилотные летательные аппараты и биологические цели. Разработана фазово-когерентная математическая модель отраженного радиолокационного сигнала, основанная на представлении цели в виде совокупности распределенных элементов рассеяния с жесткой и артикулированной кинематикой. Показано, что различие физической природы микродвижений элементов цели приводит к принципиально различной фазовой структуре микродоплеровских составляющих при близких энергетических характеристиках спектра. На основе анализа фазовых свойств отраженных сигналов теоретически обосновано использование коэффициента фазовой когерентности в качестве разделительного признака для задач радиолокационного распознавания малоразмерных воздушных объектов в условиях низкого отношения сигнал/шум.
Бесплатно
Математическая модель преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения
Статья научная
Аналитический анализ процессов, протекающих в системах электропривода с преобразователем частоты, которые характеризуются дискретными, нелинейными свой- ствами, практически невозможен. Это предопределяет необходимость использования для изучения свойств таких систем методов математического моделирования и математического эксперимента. Цель работы - построение модели преобразователя частоты с формализацией в виде математических соотношений взаимосвязей между переменными, характеризующими его функционирование, на основе анализа физических процессов в каждом его элементе. Математические модели каждого элемента необходимо представить структурными схемами, которые в дальнейшем объединяются в общую структурную схему преобразователя частоты в соответствии с методом структурного моделирования. Для решения поставленных задач использовались методы теории электроники и электротехники, индукционных устройств и понятия коммутационных функций. Программные реализации предлагаемых математических моделей и численные исследования воспроизводимых ими процессов выполнены в вычислительной среде MATLAB (пакет прикладных программ SIMULINK). Метод структурного моделирования позволил создать достаточно универсальный и гибкий вариант полной математической модели преобразователя частоты благодаря возможности достаточно простого включения в нее различных вариантов математических моделей элементов, входящих в конкретный реальный преобразователь частоты. При этом полученная модель сохраняет топологию реального преобразователя частоты и наблюдаемость всех его реальных физических переменных. Использование теории индукционных устройств и понятия коммутационных функций дало возможность на единой методологической основе создать физически и математически обоснованные математические модели всех основных элементов преобразователя частоты. Построенная модель позволяет прояснить взаимосвязи между физическими переменными отдельных элементов преобразователя частоты и их взаимное влияние.
Бесплатно
Математическое моделирование индукционного МГД-насоса для транспортировки расплава алюминия
Статья научная
В данной статье проведен анализ электромагнитных и термогидродинамических процессов, протекающих в МГД-насосе с помощью численного метода математического моделирования на основе метода конечных элементов. Получены картины распределения электромагнитного поля в канале и магнитопроводе машины, векторные распределения сил с гидродинамическими течениями, а также тепловые картины магнитопровода и обмоток МГД-насоса.
Бесплатно
Математическое моделирование течения сплошных сред в вихревой камере
Статья научная
Статья посвящена численному моделированию процессов течения распыленного водоугольного топлива (ВУТ) в вихревой камере сгорания. ВУТ, состоящее из тонких угольных частиц, воды и специальных добавок, рассматривается не только как перспективный энергоноситель, способный повысить экономичность и экологичность энергетических комплексов, но и как исходный продукт для газификации угля. Вихревой способ подачи топлива обеспечивает стабильное и полное сгорание, способствует снижению выбросов вредных веществ и повышает КПД топливосжигающих установок. Математическое моделирование вихревого потока, реализованное на основе уравнений Навье-Стокса и модели турбулентности k-ε, позволяет анализировать параметры течения, предсказывать поведение топлива при различных условиях и оптимизировать конструкцию камеры. Проведенное моделирование на базе COMSOL Multiphysics подтверждает эффективность предложенной модели для анализа газодинамической ситуации в вихревой камере с тангенциальной подачей газа и топлива.
Бесплатно
Статья научная
В представленной статье приведены результаты математического моделирования магнитогидродинамических (далее МГД) процессов в электромагнитном насосе с тройниковой рабочей частью. Научное изыскание проводилось с применением программного инструмента ANSYS.Для изучения физических процессов, происходящих в электромагнитном насосе, были разработаны две математические модели. Для получения электромагнитных воздействий на жидкую часть металла в программе ANSYS Maxwell была решена электромагнитная задача. Во второй модели, которая была выполнена в программе ANSYS CFX, на результатах электромагнитной задачи была решена гидродинамическая задача. По результатам решения гидродинамической задачи были получены главные параметры для электромагнитного насоса: распределение давлений и скоростей в жидком металле. По полученным данным был проведен анализ, оптимизирована геометрия и выбраны наиболее оптимальные параметры индукционной системы для электромагнитного насоса.Научной новизной данной работы является совмещение в одном устройстве электромагнитного насоса нескольких функций: перекачки, подогрева, перемешивания. А также использование методов математического моделирования при исследовании электромагнитных и гидродинамических процессов, протекающих в электромагнитном насосе с тройниковой рабочей частью.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрено применение сухой технологии фракционирования карьерных кварцевых песков. Предложена технологическая схема совместного использования воздушной классификации и последующего грохочения обеспыленных фракций. Разработана математическая модель, позволяющая прогнозировать получаемые гранулометрические составы песков на основе сепарационных характеристик оборудования. По результатам лабораторных испытаний песков Челябинского, Невьянского, Басьяновского и Богдановичского карьеров получены математические аппроксимации для вычисления скоростей воздушного потока через воздушный сепаратор и расчета сепарационной кривой разделения.
Бесплатно
Статья научная
Пакерная система является важнейшей составляющей технологического оборудования, которое применяется при проведении работ в пласте-коллекторе с использованием перфорированных обсадных труб (обсаженный ствол скважины), а также в открытом стволе скважины. Рассмотрены типы механических пакеров, которые применяются на месторождениях Сирии, их технические и эксплуатационные характеристики, методы расчета основных эксплуатационных характеристик. В работе предлагаются новые подходы, которые позволяют правильно выбрать требуемый тип пакера для выполнения определенных работ внутри скважины. Решены задачи эффективного применения пакеров типа NBR (Nitrile ButadieneRubber) с резиновыми уплотнениями из нитрильного каучука на нефтяных и газовых месторождениях Сирии на основе методики с использованием уточненных данных для расчета основных эксплуатационных характеристик пакерных устройств, что позволит повысить производительность и гарантировать работоспособность оборудования, применяемого при добыче нефти.
Бесплатно
Моделирование динамики ледовых покровов и ГНСС-рефлектометрия в мониторинге состояния льда
Статья научная
Представлена теплофизическая модель для исследования динамики нарастания льда в пресноводном водоеме в сезонном цикле от ледостава до таяния. Модель основана на численном решении нестационарной задачи теплопроводности с учетом метеорологических данных по температуре воздуха и радиационным потокам, скрытой теплоты фазового перехода «вода- лед», теплофизических свойств воды и льда. Рассчитаны толщина и временные температурные зависимости ледовых покровов. Анализируются возможности использования результатов моделирования динамики ледовых покровов для разработки алгоритмов восстановления геометрических и прочностных характеристик льда по данным рефлектометрии c использованием сигналов навигационных спутников в диапазоне L1.
Бесплатно
Моделирование динамики систем твёрдых и упругих тел: обзор пакетов моделирования
Статья научная
В статье представлен обзор существующих программных пакетов (сред) моделирования твердотельной и упругой динамики системы тел для сложных многокомпонентных механизмов робототехнических систем применительно к операциям сервисного обслуживания и орбитальной сборки космических аппаратов. Пакеты сравниваются по нескольким критериям и делается вывод о возможности применения их в рамках стенда полунатурного (hardware-in-loop) моделирования в земных условиях. Особое внимание уделяется возможности использования результатов построения конечно элементных моделей (КЭМ), а также возможность использования редуцированных моделей. Ключевым требованием к системам является возможность их использования в имитационном моделировании в реальном масштабе времени.
Бесплатно
Моделирование метановоздушных пламен
Статья научная
Статья посвящена разработке и тестированию математической модели горения метановоздушных пламен. Сравнение результатов расчета с данными экспериментов показали, что использование моделей горения EDC и PDF с флэймлетами с применением детальных кинетических механизмов в сочетании с вихреразрешающими моделями турбулентности обеспечивает наилучшие результаты для всех пламен. Однако для такого моделирования требуются значительные вычислительные ресурсы. В ряде случаев для получения приемлемых результатов достаточно и более простых моделей горения в сочетании с RANS/URANS-моделями турбулентности. Для получения правильных результатов моделирования при выполнении прикладных расчетов необходим предварительный анализ возможности корректного использования RANS-моделей турбулентности и простых механизмов реагирования
Бесплатно
Статья научная
В статье рассмотрено компьютерное моделирование процессов литья электродов контактной сварки из композиционного материала Cu-MMNCr (медный металломатричный с армированием наноразмерным хромом) с использованием специализированной профессиональной программы ProCAST. Установлено в процессе заливки расплава в металлическую форму образование тороидального вихря, не позволяющего наноразмерным частицам хрома всплывать на зеркало расплава. Изучен процесс формирования твёрдой фазы при кристаллизации сплава, приводящий к образованию «теплового узла» (Hot Spots) на завершающей стадии. Исследованы особенности формирования макро- и микроструктуры и элементный состав литого композиционного материала Cu-MMNCr. Представлены результаты физико-механических свойств литого композиционного материала Cu-MMNCr на примере изделия - электрода контактной сварки типа D.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассмотрено компьютерное моделирование стадии горячей штамповки объёмного теплового и напряженно-деформированного состояния для изделия - электрод контактной сварки с использованием специализированной профессиональной программы Deform 3D. Компьютерным моделированием установлено, что наибольшее влияние на твёрдость по сечению изготовленного электрода оказывают: среднее нормальное напряжение, интенсивность деформаций и скоростей деформации, способствующее генерированию большого числа дислокаций. Исследованы особенности формирования макро- и микроструктуры композиционного материала Cu-MMNCr в условиях совмещенного процесса литья и штамповки с последующей термообработкой. Описан механизм выявления границ зерен. Выведены взаимосвязи между распределением твёрдости и параметрами теплового и напряженно-деформированного состояния в объёме изделия из композиционного материала Cu-MMNCr при совмещённом способе литья - штамповки с последующей термической обработкой. Представлены значения физико-механических свойств композиционного материала Cu-MMNCr, полученного совмещённым способом литья - штамповки с последующей термической обработкой.
Бесплатно
Статья научная
Изложена усовершенствованная математическая модель тепломассообменных и гидродинамических процессов в суперкавитирующих испарителях, основанная на предположении локального кинематического и термодинамического равновесия между фазами и отсутствия поверхности раздела между паром и водой. В отличие от известных, предлагаемая модель позволяет на этапе проектирования и в период эксплуатации элементов энергетических систем комплексно оценивать влияние управляющих воздействий на режимы обработки и обеспечивает повышение точности расчетов характеристик процесса.
Бесплатно
Моделирование теплопередачи в устройстве подвода теплоты термоэлектрического блока охлаждения
Статья научная
Рассмотрен процесс теплопередачи в устройстве подвода теплоты термоэлектрического блока охлаждения. Из численного решения двумерных задач теплопроводности получены значения термических сопротивлений теплораспределителя и воздушного теплообменника. Выполнен расчет зависимости холодопроизводительности от силы тока для двух характерных значений суммарного термического сопротивления устройства подвода теплоты. Проведен анализ режимов работы термоэлектрических модулей и выбор параметров электропитания для устранения теплового дисбаланса, вызванного различием термических сопротивлений частей воздушного теплообменника.
Бесплатно
Статья научная
Одним из основных направлений развития электроэнергетических систем является внедрение устройств и технологий на базе силовых полупроводниковых ключей (HVDC (High Voltage Direct Current) технологий), в частности вставок постоянного тока на базе преобразователя источника напряжения (VSC). VSC-HVDC используются для решения таких задач, как соединение несинхронных электрических сетей различных частот, передача электроэнергии, повышение локальной и системной управляемости электроэнергетической системы, повышение пропускной способности элементов сети, содержащих «слабые» связи. Благодаря высокой степени управляемости преобразователей источника напряжения (VSC) в основном рассматривается работа HVDC. Однако внедрение и эксплуатация VSC-HVDC определяют необходимость в проведении широкого спектра анализа и исследований, которые можно провести только с помощью математического моделирования. Поэтому целью работы является: анализ поведения системы передачи HVDC на основе VSC с использованием различных режимов управления путем моделирования в программной среде MATLAB.
Бесплатно
Статья научная
Влияние растительности на распространение радиоволн создает дополнительные потери на распространение радиосигнала не только вдоль земной поверхности, но и в наклонных радиолиниях. С целью определения значения запаса помехоустойчивости и предельной дальности управления БЛА встала необходимость оценить ослабления радиосигнала для диапазона частот функционирования модуля Long Range (LoRa). В статье рассмотрены различные методы оценки ослабления радиосигнала в условиях хвойной и лиственной растительности с учетом сезона, а также проведена оценка вероятности битовой ошибки для приведенного радиосигнала модуля LoRa. Проведенные расчеты на основании МСЭ-Р.833 показали, что в зависимости от удаления БЛА от наземных пунктов управления и лесного массива, средняя высота которого превышает точку расположения антенны наземного пункта управления, необходимо учитывать дополнительные потери в распространении радиосигнала. При этом значение потерь функционально связано с несколькими параметрами, такими как частота, сезон и тип растительности. Результаты статьи включают полученные значения вероятности битовой ошибки на предельных дальностях управления БЛА в пределах зоны прямой видимости.
Бесплатно
Статья научная
Закрученные течения широко распространены в различных областях техники. При высокой степени закрутки течение осложняется распадом вихря и формированием крупномасштабных нестационарных структур. В гидроэнергетике проявлением неустойчивости закрученного потока служит прецессирующий вихревой жгут в отсасывающей трубе. Эти нестационарные структуры обладают значительной турбулентной кинетической энергией и характеризуются достаточно большим временем существования, что вызывает серьёзные затруднения при численном моделировании течений в тракте гидротурбин. Цель работы - построение гибридной PANS модели турбулентности на основе модели второго порядка замыкания. С помощью этой модели с разными значениями параметра разрешения выполнены численные расчёты нестационарного течения в отсасывающей трубе в режиме частичной нагрузки. Предложенный вариант PANS модели турбулентности позволяет хорошо воспроизводить характеристики сильно анизотропных течений, при этом менее требователен к сеточному разрешению, чем метод моделирования крупных вихрей, и в рассмотренной реализации не содержит явной зависимости от шага пространственной сетки.
Бесплатно
Статья научная
Данные математического моделирования являются основой обоснования безопасности установок на всех этапах эксплуатации, в связи с чем возникает необходимость постоянного совершенствования расчетных кодов. Эта статья рассматривает возможность применения нового программного обеспечения «ЛОГОС» для расчета теплофизических параметров различных ядерных установок атомной промышленности. В работе представлены этапы расчетов математической модели шести- и восьмитрубных тепловыделяющих сборок реакторной исследовательской установки ИРТ-Т. Результатом работы является расчет распределения температурных характеристик, полученных путем моделирования в программном пакете «ЛОГОС». Сравнение этих данных проводилось с ранее верифицированной моделью, рассчитанные параметры шести- и восьмитрубной тепловыделяющей сборки в отечественном продукте показывают высокую сходимость в допустимых пределах отклонения, в связи с чем можно сделать вывод о перспективности применения отечественного программного пакета «ЛОГОС» для описания нестационарных явлений.
Бесплатно
Статья научная
Сложность процесса проектирования бортового программного обеспечения космического аппарата обусловлена наличием в его составе до 500 000 программных и информационных объектов более чем 40 различных типов. Поэтому работа с такими большими объемами данных требует разработки специализированного программного обеспечения для инженеров-проектировщиков. Целью исследования является построение алгоритмов, разработка методов, создание математических моделей поиска, сравнения и копирования больших разнородных связанных данных, а также реализация полученных научно-практических результатов в программном комплексе инженера-проектировщика бортового программного обеспечения космических аппаратов. В результате выпоенных работ разработаны математические модели операций сравнения в терминах множеств и логики предикатов, определены критерии оценки результатов сравнения. На основе математических моделей разработаны программные компоненты, обеспечивающие поиск, сравнение и копирование частей или полностью архитектурного проекта бортового программного обеспечения космических аппаратов. Разработанные программные компоненты интегрированы в программный комплекс автоматизированного проектирования и сопровождения бортового программного обеспечения космических аппаратов. Результаты работы внедрены в АО «Информационные спутниковые системы им. ак. М. Ф. Решетнева» и практически используются в задачах проектирования новых спутников однотипных серий. Сложность работы с разнородными большими данными не позволила в полной мере реализовать операцию копирования. В работе предложено ввести понятие двухфазной операции копирования, когда первая фаза выполняет копирование структуры бортового программного обеспечения, а вторая фаза - связь структуры с ресурсами космического аппарата.
Бесплатно
