Методология разработки математических моделей гидродинамических процессов с целью автоматизации пищевых производств

• Автор: Шкапов, Павел Михайлович
• Шифр специальности: 05.13.18, 05.13.06
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 262 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЗОР МЕТОДОВ РАСЧЕТА ДИНАМИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК И ОСОБЕННОСТЕЙ СВОЙСТВ ПОТОКОВ РАБОЧИХ ТЕЛ ГИРОСИСТЕМ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

1.1 Методы математического моделировании гидромеханических

систем и их элементов для расчета основных динамических характеристик

1.2 Особенности течений и свойств потоков рабочих тел в

гидросистемах пищевых производств.

1.2.1 Свойства рабочих жидкостей гидросистем пищевых производств, влияющие на их динамические характеристики
1.2.2 Механизмы образования и развития двухфазного потока в гидросистемах пищевых производств
1.2.3 Формирование двухфазной смеси в технологических процессах при принудительной подаче газа в емкость или магистраль с капельной жидкостью
1.2.4 Причины и характер неоднородного распределения объемного газосодержания и скорости звука в двухфазном пузырьковом потоке
по длине магистрали
1.2.5 Формирование течений с расслоением потоков фаз и переходом к пробковому течению.
2. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОСИСТЕМ С УЧЕТОМ НЕОДНОРОДНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЖИМАЕМОСТИ ПОТОКА ПО ДЛИНЕ
МАГИСТРАЛЕЙ
2.1 Математическая модель гидролинии при изменяющейся
сжимаемости потока по длине магистрали.
2.2 Свободные колебания потока в гидролинии с неоднородным
монотонным изменением сжимаемости по длине магистрали
2.3 Вынужденные колебания двухфазного потока в гидролинии с
неоднородным монотонным изменением сжимаемости по длине магистрали
2.4 Особенности динамика гидролиний с периодически
изменяющимися свойствами по продольной координате.
2.5 Устойчивость системы гидролиния нагрузочный агрегат с учетом
пространственной неоднородности свойств потока в
трубопроводе
3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВА1ШЕ ТЕЧЕНИЙ С
ОГРАНИЧЕННОЙ ИСКУССТВЕННОЙ ГАЗОВОЙ КАВЕРНОЙ.
3.1 Волновой механизм распространения и развития возмущений
на участке с расслоенным движением фаз
3.2 Обзор динамических моделей искусственных газовых каверн .
3.3 Схематизация течения с ограниченной искусственной газовой
каверной и ее математическая модель
3.4. Динамика потока в гидролинии, включающей участок с ограниченной газовой каверной
3.5. Механизмы и параметры автоколебательных процессов в гидролинии, включающей участок с расслоенным движением
4 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ ГЛОБАЛЬНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ДЛЯ НАСТРОЙКИ ПРОЕКТНЫХ ПАРАМЕТРОВ, ОПТИМИЗАЦИИ И ИДЕНТИФИКАЦИИ АНОМАЛИЙ ГИДРОСИСТ ЕМ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
4.1 Основные положения.
4.2 Постановка задач настройки проектных параметров, оптимизации
и диагностики гидромеханических систем по динамическим
характеристикам.
4.3 Основные алгоритмы глобальной оптимизации.
4.4 Разработанные гибридные алгоритмы глобальной оптимизации.
4.4.1 Детерминированный метод со сглаэсивающими аппроксимациями
целевой функции
4.4.2 Гибридный алгоритм РСАН.
4.4.3 Гибридный алгоритм
4.4.4 Гибридный алгоритм .
4.5 Тестирование разработанных алгоритмов и комплексов
программ
4.6 Решение модельных задач с применением методов глобальной
оптимизации.
5 РАЗРАБОТКА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕЗУЛЬТАТОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.
5.1 Общие положения.
5.2 Автоматизация процесса создания пульсаций потока жидкости в трубопроводе на основе автоколебаний ограниченной искусственной газовой каверны.
5.3 Автоматизация процесса демпфирования колебаний в трубопроводе путем создания волн объемной концентрации свободной газовой фазы
6 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СТЕНДЕ
6.1 Постановка задач экспериментального исследования,
схемы экспериментальных установок, погрешности измерений
6.2 Исследование вдува газа в неподвижную жидкость
6.3 Исследование вдува газа в спутный поток жидкость, определение
скорости захвата газовой фазы в опускном течении.
6.4 Экспериментальные исследования течений с ограниченной
искусственной газовой каверной.
6.4.1 Методика и порядок проведения экспериментальных исследований динамики ГС с ограниченной искусственной газовой каверны
6.4.2 Анализ результатов визуальных наблюдений, материалов фото и скоростной киносъемки.
6.4.3 Сопоставление результатов, экспериментов с данными теоретического анализа
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Цель работы заключается в создании научной концепции и методологии разработки математических моделей гидродинамических процессов пищевых производств, обосновании и внедрении целостной системы инновационных высокоэффективных методов, программ оптимизации и диагностирования для решения задач автоматизации. Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи. Цель и задачи диссертации потребовали создания и реализации научной концепции, которая заключается в разработке методологии системного анализа, позволяющего вскрыть общие физические закономерности и особенности функционирования гидромеханических систем пищевых производств как единой динамической системы объекта автоматизации, а также оптимизации и диагностирования по изменению динамических характеристик. Гидромеханические системы пищевых производств включают разнообразный набор а1регатов и устройств, соединенных каналами и трубопроводами в сложную разветвленную сеть, с протекающими по ней жидкими и газовыми компонентами или их смесями, рис. В.1В Исследование динамического процесса в таких гидросистемах и ее элементах основывается на разработке математических моделей, описывающих в виде математических формул и дифференциальных уравнений изменение параметров рабочей среды в объеме и проточной части отдельных устройств, в выделенных контурах или во всей гидромеханической системе в целом. В настоящее время, прежде всего в виду незавершенности теоретического описания динамики гетерогенных сред, физическохимических, биохимических и микробиологических процессов взаимодействия компонентов, механизмов тепло и массообмена на разных стадиях обработки пищевых масс в агрегатах и системах пищевого производства по всему технологическому циклу, не существует достаточно строгой математической модели, позволяющей описать динамику этих сложных гидромеханических систем со всеми их особенностями. Вместе с тем, принимая во внимание наиболее существенные в каждом рассматриваемом случае проявления физических процессов и учитывая сложившуюся практику исследования подобных систем, можно использовать и разрабатывать наглядные и более простые математические модели, отражающие особенности динамики исследуемых гидромеханических систем, их элементов и отдельных контуров. Важными динамическими параметрами гидромеханических систем, как связанной динамической системы, являются спектры собственных частот, формы колебаний, амплитудно и фазочастотные характеристики. Задача определения их сводится к расчету акустических малых колебаний в исследуемом элементе или контуре гидромеханической системы. Математические модели отдельных составляющих элементов, узлов, агрегатов и устройств, связанных гидролиниями в единую гидромеханическую систему, можно проводить на основе их модельного представления в виде систем с сосредоточенными или распределенными параметрами. Существует большое количество такого рода математических моделей, позволяющих анализировать динамику ГС и процессов с большей или меньшей степенью подробности, с учетом допущений о структуре потоков и необходимой точности расчетов, ограничений по спектру рассматриваемых частот, размерам оборудования, физическим свойствам рабочих жидкостей и других особенностей, влияющих на рассматриваемый динамический процесс , . Существенное упрощение задачи математического описания таких разветвленных систем с разнородным набором элементов достигается введением ограничений на диапазон рассматриваемых частот, исходя из практики применения их в реальном технологическом процессе. При этом математическое описания отдельных составляющих гидромеханических систем может проводиться на основе модельного представления их в форме систем с сосредоточенными или распределенными параметрами на основе физических моделей, как правило, в более упрощенном виде. В низкочастотном диапазоне до Гц во многих случаях можно использовать линейные модели описания элементов системы без существенной потери точности результатов. Физические свойства потоков пищевых масс с учетом их нагрева и введения специальных разжижителей во многих случаях можно полагать как у гипотетической капельной ньютоновской жидкости.