CC BY
17
УДК 532+536+66 Р. А. Кантюков
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, г. Москва, Миусская пл. 9 e-mail: clogist@muctr.edu.ru
СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО КОМПЛЕКСНОМУ АНАЛИЗУ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ В ТРУБОПРОВОДАХ
Предложена архитектура системы поддержки принятия решений (СППР) по управлению гидродинамическими режимами нестационарных газовых потоков в сложных трубопроводах. Перечислены задачи СППР и предложены алгоритмы, необходимые для ее эффективного функционирования. Предложены алгоритмы расчета показателей взаимодействия газового потока с узлами сложного трубопровода. Приведены алгоритмы расчета основных показателей СППР: потери средней скорости в узле, коэффициента Кориолиса, коэффициента Буссинеска, коэффициента сопротивления узла.
Ключевые слова: система поддержки принятия решений, нестационарные газовые потоки, алгоритмы, коэффициент Кориолиса, коэффициент Буссинеска, коэффициент сопротивления узла.
Системы поддержки принятия решений (СППР) предназначены для получения, как семантических решений, характерных для классических экспертных систем (ЭС), так и количественных, численных решений. Для получения численных решений в СППР используются математические модели. В состав СППР входят [1]: база знаний (БЗ), база данных (БД), база целей (БЦ), подсистема вывода решений (ПВР), подсистема интеллектуального интерфейса (ПИИ), подсистема объяснения решений (ПОР), подсистема управления (ПУ), подсистема моделирования (ПМ). Основу СППР составляет база знаний. БЗ включает: предметные знания, управляющие знания и метазнания.
Предметные знания - это совокупность деклараций описателей информации из данной конкретной предметной области (ПО). Управляющие знания - это совокупность описателей различных стратегий и вариантов принятия решений в данной ПО. Метазнания используются для реализации различных процедур глобального характера, для оказания помощи в обнаружении ошибок, для накопления новых знаний и пр.
Согласно [1] при создании СППР в химии и химической технологии выделяются следующие этапы: определение целей и задач создания и использования СППР; концептуальный анализ предметной области, т.е. выделение основных концепций, отражающих знания экспертов и знания из печатных источников; выбор модели представления знаний (МПЗ) и вывода решений; ввод базы знаний в СППР с предварительным их переводом на выбранный язык представления знаний; разработка математических моделей для генерации семантических и численных решений; отладка результирующей СППР на контрольных и тестовых примерах.
СППР по комплексному анализу нестационарных газовых потоков в трубопроводах
должна использовать для численного анализа модель расчета характеристик газовых течений.
В настоящее время для обеспечения безопасности эксплуатации газопроводов весьма актуальным является вопрос выбора и контроля режимов гидродинамических течений с учетом воздействия на трубопровод ударных волн и колебаний потока. Проблемы, связанные с возникновением в газовых трубопроводных системах ударных волн, были впервые рассмотрены в [2]. Сущность проблемы заключается в следующем. При необходимости опорожнения емкости с газом высокого давления после открывания клапана сброса возникает ударная волна, которая распространяется по трубопроводу и может вызвать его разрушение. Необходимость опорожнения емкостей с газом высокого давления может возникнуть в условиях, например, аварийной ситуации. Для моделирования необходимо определить факторы, которые способствуют увеличению мощности ударной волны, так чтобы, воздействуя на них добиться ее ослабления. Для того, чтобы ответить на этот вопрос необходимо использование, как результатов численного моделирования, так и детального анализа экспериментальных данных.
Из анализа технологических данных известно, что при открытии клапана сброса по трубопроводу распространяется ударная волна со скоростью ~ 500 м/с. При этом, учитывая, что длина трубопровода аварийного сброса газа составляет около 2 км, получаем характерное время прохождения ударной волны ~ 4 с, что значительно меньше времени полного открытия клапана, равного 20 - 30с. Следовательно, в течение всего периода движения по трубопроводу ударная волна будет получать энергию от стационарной сверхзвуковой струи сбрасываемого газа. В работе [2] найдено, что перепад давления в ударной волне пропорционален отношению скоростей звука в
толкающем a1 и толкаемом газах a2 : чем выше отношение a^ / a2 , тем сильнее ударная волна.
Другими важными характеристиками являются параметры геометрии трубопровода: узлы сочленения, изгибы, сужения, расширения, колена с различными углами поворота и пр. Эти характеристики имеют важное значение для формирования условий распространения ударной волны в трубопроводах и могут быть использованы в качестве параметров модели. Для демпфирования ударных волн может быть предложен метод геометрической реконфигурации трубопровода [2-9].
Эффективным инструментом изучения влияния геометрических характеристик на прохождение ударной волны является математическая гидродинамическая модель. В качестве такой модели в СППР должна быть использована модель, позволяющая моделировать пульсации в потоке, например, модель, основанная на столкновительной PIC (Particle in Cell) модели классической гидродинамики [5,6]. Эта модель может быть использована, как в случае распространения ударных волн, так и в случае распространения по трубопроводу небольших импульсов перепада давления. Возникающие при этом пространственно-временные пульсации плотности и давления имеют важное значение для обеспечения безопасности и надежности систем технологических трубопроводов, поскольку образование промежуточных фаз нестационарных гидродинамических течений может привести к резонансу конструкций трубопровода и течения.
Использование в СППР модели гидродинамических пульсаций в потоке должно обеспечить решение на ее основе следующих задач: Определение условий возникновения резонансных колебаний. При этом признаком возникновения резонансного режима является значительное (более 1,5 - 2) превышение расчетной величины относительной амплитуды колебаний давления для гладкого прямолинейного трубопровода; Определение эффективности гасителей колебаний различной конструкции путем расчета на модели коэффициентов сглаживания; Распознавание резонансов конструкций трубопроводов по сравнительной величине относительной амплитуды колебаний давления.
Для решения вышеперечисленных задач могут быть предложены следующие алгоритмы:
1. Алгоритм расчета среднего давления вдоль стенки трубопровода при прохождении через узел сочленения труб разного диаметра импульсного изменения напора. При этом алгоритм должен также рассчитывать количество импульсов давления в единицу времени и локальные статистические характеристики импульсов. Для расчета статистических характеристик в алгоритме должна производится оценка функции распределения плотности вероятностей (ФРПВ) пульсаций давления.
2. Алгоритм расчета усредненного стандартного отклонения пульсаций давления вдоль стенки трубопровода при прохождении через узел сочленения труб разного диаметра импульсного изменения напора.
3. Алгоритм расчета показателей взаимодействия потока с узлами сочленения трубопровода. Алгоритм должен рассчитывать:
- среднюю горизонтальную компоненту скорости по сечению потока до и после узла сочленения, а также величину потери средней скорости на узле, для чего могут быть предложены следующие формулы:
1 -¿2
4г1) =
42) =
Nyi 5
1 j 4
— Т
N
•1, j'
412, j'
(1)
'У 2 J = ] 3
5щ (М) = 4г1) - 2) где /1,/2, ]2, 7з, J4 - горизонтальные и вертикальные границы сечений трубопровода до и узла в координатах расчетной
после
сетки,
Ыу 1, Ыу 2 - количество расчетных точек в сечениях
соответственно до и после узла, Зик (М) - потеря
средней скорости на узле в зависимости от числа итераций - М.
- коэффициент Кориолиса, равный отношению усредненного потока кинетической энергии к потоку кинетической энергии, вычисленному по средней скорости:
Е/ 1
Kt (M ) = ■
j Г ^ ^
Ж
y j=j1
у ( • )
(2)
где Е/ - поток кинетической энергии в /-ом сечении, ик® - средняя скорость в /-ом сечении, рассчитанная по формуле (1).
- коэффициент Буссинеска, равный отношению потока усредненного количества движения к потоку количества движения, вычисленного по
средней скорости, для чего могут предложены следующие формулы:
7 1 j 2
(м) = f. = -L S
Ny
2
Л 0
быть
(3)
У ] =J1y
где ^ - поток импульса в /-ом сечении. Коэффициенты Кориолиса и Буссинеска характеризуют неравномерность структуры потока в сечении трубопровода.
- коэффициент сопротивления узла по следующему алгоритму:
2
С (M) =
N
yi
jj jj
X Pi 1,j " X Pi2,j
\J=j1_j=j 3 у
р(4Й))2
где Z - коэффициент сопротивления конфузора.
Согласно [5-8] коэффициент сопротивления может быть рассчитан также по следующей формуле:
2 < Р >
С =
рЦи™)2 + ( 5
('1)\2
)2)
(5)
где <Рц> - средняя величина давления в сечении ¡1,
Г. (1
- стандартное отклонение скорости в сечении ¡1. Расчет коэффициента сопротивления позволяет
определять среднюю величину давления на стенки трубопровода по величине средней скорости или по величине средней скорости и стандартного отклонения скорости по формулам (1).
4. Алгоритм оптимизации режимов течения с использованием вышеперечисленных параметров и характеристик.
Кантюков Рафкат Абдулхаевич, докторант кафедры Логистики и экономической информации РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Мешалкин В.П. Экспертные системы в химической технологии. - М.: Химия, 1995. - 368с.
2. Ударные трубы. Сб.ст. под ред. Х.А.Рахматулина. - М.: ИЛ, 1962. - 282с.
3. Бутусов О.Б., Кантюков Р.А., Мешалкин В.П. Компьютерное моделирование полей температуры и давления нестационарных турбулентных газовых течений в технологических трубопроводах // Химическая промышленность. - 1998. - №7. - С. 433-438.
4. Кантюков Р.А., Бутусов О.Б., Дови В.Г., Мешалкин В.П. Компьютерное моделирование течения сжимаемых газов через сложные технологические трубопроводы // Химическая промышленность. - 1998.
- №12. - С.784-790.
5. Бутусов О.Б., Мешалкин В.П., Компьютерное моделирование нестационарных потоков в сложных трубопроводах. - Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 550 с.
6. Бутусов О.Б., Кантюков Р.А., Мешалкин В.П. Компьютерный анализ гидродинамики нестационарных потоков в газотранспортных системах. - СПб: Недра. - 2014. - 296с.
7. Бутусов О.Б., Гимранов Р.К., Кантюков Р.А., Мешалкин В.П., Попов А.Г., Рыженков И.В. Комплексный фрактально-текстурный анализ турбулентной структуры газовых потоков в конфузорах сложных трубопроводов // Известия ВУЗов: Химия и химическая технология. - 2015. - Т. 58, № 4. - С. 78-84.
8. Бутусов О.Б., Мешалкин В.П. Компьютерное моделирование нестационарных газовых потоков в сложных трубопроводах кругового сечения // Теоретические основы химической технологии». - 2008. - Т. 42, № 1.
- С. 88-99.
9. Бутусов О.Б., Мешалкин В.П. Компьютерный расчет интегральных показателей турбулентной структуры нестационарных газовых потоков в трубопроводах с использованием вейвлет-преобразований // Теоретические основы химической технологии». - 2008. - Т. 42, № 2. - С 170-175.
Kantjukov Rafkat Abdulkhaevich
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. e-mail: clogist@muctr.edu.ru
DECISION SUPPORT SYSTEM OF COMPLEX ANALYSIS OF UNSTEADY GAS FLOWS IN PIPES
Abstract
The architecture of decision support system (DSS) has been proposed for unsteady gas flows management. The main tasks and algorithms for resulting DSS were worked out. The algorithms for unsteady gas flows and pipe interaction were described. The proposed interaction indices are: the velocity loss in joint, joint Coriolis coefficient, joint Boussinesq coefficient, joint resistance coefficient.
Key words: decision support system, unsteady gas flows, algorithm, the velocity loss in joint, joint Coriolis coefficient, joint Boussinesq coefficient, joint resistance coefficient.
