Математическое моделирование рабочих процессов в объемных компрессорах для решения задач автоматизированного проектирования

• Автор: Хрусталев, Борис Сергеевич
• Шифр специальности: 05.04.06
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 269 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. АНАЛИЗ РАБОТ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ САПР.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Критический обзор работ на этапах развития систем проектирования с применением математического моделирования
1.1.1. Первый этап - от моделирования к проектированию
1.1.2. Второй этап - САПР и моделирование
1.2. Предлагаемая структура САПР ’’КОМПРЕССОР” на основе математического моделирования рабочих процессов
1.2.1 .Принципы создания САПР ’’КОМПРЕССОР”
1.2.2. Структура САПР “КОМПРЕССОР”
1.2.3.Принципы и структура диалога
1.3. Принципы оптимального проектирования объемных компрессоров
1.4.Выводы. Цели и задачи исследований
2 .ПРИНЦИПЫ И МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ
2.1 .Структура математической модели объемного компрессора
2.2.Типовые модели подсистем и элементов для описания процессов изменения параметров газа
2.2.1 .Классификация моделей подсистем и элементов
2.2.2.Примеры построения моделей компрессора с использованием моделей подсистем
2.2.3.Типовые схемы исполнения ступени поршневого компрессора.
Модель обобщенной ступени
2.2.4. Типовые схемы исполнения всасывающей и нагнетательной систем ступени объемного компрессора
2.2.5. Выводы
З.УРАВНЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОБЪЕМНОГО КОМПРЕССОРА. РЕКОМЕНДУЕМЫЕ МЕТОДЫ ЧИСЛЕННОГО
РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЙ
3.1 .Трехуровневое математическое описание моделей типовых элементов
3.2.Трехуровневое описание математических моделей основных типовых элементов и подмоделей для модели МСГ
3.2.1. Типовой элемент - камера
3.2.1.1. Описание моделей трех уровней
3.2.1.2.Связь между моделями второго и третьего уровней
3.2.2.Типовые элементы - гидравлическое сопротивление (труба, щель,
клапан)

3.2.2.1. Особенности нестационарного течения в газовом тракте объемного компрессора
3.2.2.2.Модель первого уровня
.2.2.3.Модель второго уровня
З.2.2.4. Модель третьего уровня
3.2.3.Типовой элемент - клапан
3.2.3.1 .Модели динамики клапана
3.2.3.2.Связь между моделями второго и третьего уровней
3.2.3. Моделирование ударов о седло и ограничитель. Моделирование ударов в момент соединения и разъединения рабочих и демпферных пластин дискового или полосового клапанов. Условия выключения и включения в работу клапанов
3.3. Выбор численных методов для решения дифференциальных уравнений математических моделей компрессора
3.3.1. Общие замечание
3.3.2. Рекомендуемые методы решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений при моделировании поршневых компрессоров
3.3.2.1. Модели изменения параметров газа в полостях компрессора
3.3.2.2. Модели динамики клапанов
3.3.2.3. Рекомендуемые алгоритмы для моделирования процессов соударения
3.3.2.4. Некоторые замечания о точности и сходимости решения. Выбор и
обоснование рекомендуемого шага расчета
3.3.3. Решение дифференциальных уравнений в частных производных нестационарной одномерной газодинамики
3.3.3.1. Постановка задачи
3.3.3.2. Решение уравнений математической модели всасывающей системы поршневого компрессора с использованием аналитических методов
3.3.3.3. Конечно-разностный метод решения волновых уравнений. Оценка сходимости. Выбор шага расчета
3.3.3.4. Рекомендуемый конечно-разностный метод решения уравнений
нестационарной одномерной газодинамики
3.3.5. Некоторые особенности расчета смешанных математических моделей
поршневого компрессора
3.4.Методика подготовки исходных данных по свойствам реальных газов при моделировании процессов в объемных компрессорах
3.4.1 .Целевое назначение
3.4.2.Краткое обоснование предлагаемой методики
3.4.3. Описание методики
3.4.3.1. Общие положения

3.4.3.2. Табличное представление исходной информации
3.4.3.3.Использование диаграммы р
3.4.3.4. Экспериментальные данные по свойствам газа
3.5. Выводы
4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ГРУППЫ КЛАПАНОВ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА
4.1. Общие замечания
4.2. Математическая модель и методика расчета динамики дискового
клапана
4.2.1.Целевое назначение
4.2. 2.Расчетная схема динамической модели клапана
4.2.3.Дифференциальные уравнения движения пластин
4.2.4.0пределение положения равновесия пластин
4.2.5.Начальные условия
4.2.6. Алгоритм решения дифференциальных уравнений динамики клапанаї
4.2.7. Экспериментальная проверка разработанной методики
4.2.8. Программная реализация
4.3. Математическая модель и методика расчета динамики кольцевого
клапана
4.3.1.Целевое назначение
4.3.2.Математическая модель динамики клапана
4.3.3.Некоторые особенности расчета клапана с несколькими подвижными
элементами
4.3.4. Применение методики для расчета реальных конструкций кольцевых
клапанов
4.4. Методика расчета динамики язычковых клапанов малорасходных
поршневых компрессоров
4.4.1. Целевое назначение
4.4.2 Расчетная схема. Математическая модель динамики лепесткового клапана
4.4.3.Методика записи диаграмм движения пластины клапана с
использованием тензометрических датчиков
4.4.4.Экепериментальные исследования и проверка методики расчета лепестковых клапанов на адекватность
4.5. Экспериментальное исследование работы группы всасывающих клапанов 1 -ой ступени воздушного двухступенчатого компрессора
4.5.1. Определение полей средних за цикл давлений перед всасывающим клапаном
4.5.2. Определение статических коэффициентов расхода элементов газового
тракта при пульсирующей продувке
Согласно ГОСТ 28567-90 компрессор - это энергетическая машина или
устройство для повышения давления и перемещения газа или их смесей (рабочей среды).
В нашем случае под моделью ( здесь и далее рассматриваются, за исключением особооговоренных случаев, абстрактные и, как правило, только математические модели) компрессора будем понимать совокупность моделей всех процессов, происходящих в реальном объемном компрессоре. В работе /84/ приведено определение понятия “математическое моделирование” как какое-то действие, имеющее цель, предмет и способ. Данное определение не совсем верно. Чаще всего, понятие “проектирование” представляют как процесс получения проектной документации, а в более общем виде описания, какого-либо объекта для последующего его изготовления. Согласно этому определению, при проектировании создается модель объекта, например: в виде рисунков - чертежей, т.е. абстрактных моделей. Таким образом, понятия “проектирование” и “моделирование” достаточно близки по значению. В данной работе используется одно из известных определений понятия “моделирования” как процесса построения модели, необходимой и достаточной для исследования свойств реальной системы и для исследования неизвестных на момент создания модели свойств реальной системы. В данной работе под математической моделью будем понимать совокупность уравнений, формул, определений, таблиц, соотношений и данных, которые описывают состояние объекта, ситуацию или явление, а также их динамику развития. Согласно определению, данному в / 64, стр.5 / (на мой взгляд-неполное), математическое моделирование есть процесс оперирования созданной по исходным физическим параметрам моделью, обеспечивающей получение данных о поведении интересующего объекта. Однако, чуть далее авторы, выделяя в моделировании три этапа, включают в первый этап разработку методов построения такой модели и ее формулировку. Другими словами, речь идет о ее создании. Также, на мой взгляд, неудачна формулировка в работе / 93 /: “математическое моделирование есть приближенное описание какого-либо класса явлений внешнего мира, выраженное с помощью математической символики.” В данной формулировке перепутаны понятия “модель” и “моделирование”, а также отсутствуют процессы создания модели. Степень разработки математической модели определяется целями и задачами функционирования системы внешней по отношению к рассматриваемому объекту - компрессору, например: компрессорная установка. Требования к математическому описанию будут различными в зависимости от состава и назначения всей компрессорной установки. Например, в случае использования компрессора в составе передвижной компрессорной газонаполнительной установки для оценки работы последней определяющими параметрами будут производительность и мощность в зависимости от значений переменных давлений всасывания и нагнетания. Но для случая