CC BY
4
3. Глущенко И.С., Баранова Е.М., Баранов А.Н., Борзенкова С.Ю. Подходы к проектированию интеллектуальных информационных систем для построения моделей угроз организаций // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 2. С. 277-286.
4. Ищенко Е.А., Борзенкова С.Ю., Баранов А.Н. Разработка сетевого игрового приложения на основе клиент-серверной архитектуры // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 3. С. 287-292.
Баранова Елизавета Михайловна, канд. техн. наук, доцент, elisafine@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Баранов Андрей Николаевич, канд. техн. наук, доцент, an 111111 @mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Борзенкова Светлана Юрьевна, канд. техн. наук, доцент, tehnol@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Кулешова Наталья Викторовна, канд. техн. наук, доцент, nata_kyl@mail.ru, Тула, Тульский государственный университет
RESEARCH OF PERFORMANCE INDICATORS INFORMATION SYSTEMS USING
THESTATISTICA PROGRAM
E.M. Baranova, A.N. Baranov, S. Y. Borzenkova, N. V. Kuleshova
The article describes the stages of research of various kinds of information systems using the modules of the STATISTICA program, as well as the formation of statistically-based conclusions regarding the software ssolutions recommended for use in organizations.
Key words: analysis, information systems, research, .statistical methods, functional efficiency, operational efficiency indicators.
Baranova Elizaveta Mikhailovna, candidate of technical sciences, docent, elisafine@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Baranov Andrey Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, an111111@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Borzenkova Svetlana Yurievna, candidate of technical sciences, docent, tehnol@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kuleshova Natalia Viktorovna, candidate of technical sciences, docent, nata_kyl@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 623.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-205-210
АНАЛИЗ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОТОКА ГОРЯЧЕГО ГАЗА НА ТЕРМОПАРЫ МЕТОДАМИ
ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Д.В. Сладков
В статье рассматривается возможность оценки силового и температурного воздействия на чувствительные элементы термопары путем численного моделирования. Проводится сравнительный анализ устойчивости к нагрузкам термоэлектродов из различных материалов и при разных диаметрах спая, также даются некоторые рекомендации по выбору сочетания этих параметров в зависимости от предполагаемых условий применения.
Ключевые слова: численное моделирование, термопара, термоэлектрод, эксперимент, тепломеханические системы.
Термопары (ТП) получили широкое распространение в различных областях промышленности и в исследовательской деятельности, поскольку позволяют проводить замеры в широком диапазоне температур и при воздействии агрессивных сред [5]. Так, ТП нашли применение в металлургии для измерения температуры печей, используются в газовых турбинах и дизельных двигателях, а также в термостатах, различных газовых приборах и даже в микроэлектронике.
205
Особенно стоит выделить их применение в экспериментальной деятельности при отработке устройств, функционирование которых основано на течении горячих газов и жидкостей. К таковым можно отнести разделяющиеся тепломеханические системы (ТМС), отработка которых требует определения локальных параметров газового потока во внутренних полостях.
Регистрация параметров газового потока в ТМС дополнительно затрудняется сложным характером течения продуктов сгорания дымного ружейного пороха (ДРП), в которых содержится большое количество остатков конденсированной фазы, а также внутренних источников тепла и массы. При этом для газового потока в таких устройствах характерны высокие температуры (до 2000 К) и скорости (до 500-600 м/с).
В этой связи одной из важных задач при подготовке эксперимента является правильный выбор используемых датчиков. Причем необходимо учитывать не только прочностные характеристики, но и тепловую инерционность, ориентируясь на предполагаемое время протекания процесса [5].
В настоящей работе проведены прочностные расчеты для термопар, изготовленных из хромеля, алюмеля и вольфрам-рениевого сплава при диаметрах термоэлектродов (ТЭ) dre = 0,05; 0,1; 0,2; 0,4; 0,5 мм. Также для указанного набора диаметров ТЭ определено время прогрева при обтекании потоком горячего газа, характеризующее тепловую инерционность ТП. Расчеты проводились при помощи программных пакетов Ansys Fluent и Ansys Mechanical.
При моделировании деформации термопары под воздействием горячего газа было принято допущение о том, что температура тела равна температуре газового потока (термопара прогрелась). Прочностные расчеты для каждого из рассматриваемых вариантов проводились при следующем наборе начальных температур: 293, 473, 673, 873, 1073, 1273 и 1473 К. Геометрическая модель чувствительного элемента представлялась в виде цилиндра заданных размеров, закрепленного по торцам. При этом учитывалось тепловое расширение ТЭ и зависимость прочностных свойств материалов от температуры [4].
На рис. 1 показана картина силового воздействия при обтекании чувствительного элемента термопары газовым потоком со скоростью V=430 м/с.
contour-1 Velocity Magnitude 7.50fr»02
б
6 0Ge*0?
5?s«+aг "j./sc'te
ЗООе*ОУ 2 25е*02 1 50е»02 7.50о'ОТ 0.00е»00
(nVs)
сошоим
I
г We+os 1
ЛЗ£оСМ 1
■Gustos
Рис. 1. Картина обтекания чувствительного элемента термопары при определении силового
воздействия
Вид деформированной ТП с диаметром ТЭ йтэ = 0,1 мм из сплава ВР5 при температуре 1200 К показан на рис. 2.
Рис. 2. Деформация ТП из ВР5 при температуре 1200 "C
На рис. 3 приведены зависимости максимальных напряжений растяжения от температуры при различных диаметрах ТЭ для ТП из хромеля, алюмеля и вольфрам-рениевого сплава. На рисунках обозначено: 1 - зависимость предела прочности материала от температуры; 2 - йТЭ = 0,05; 3 - йТЭ = 0,1; 4 -йТЭ =0,2; 5 - йТЭ =0,4; 6 - йТЭ =0,5 мм.
ШЁР ¡¡Я
ёж '/////¿¿/а
///'//// V///////// AyZvZy//
i* Шт ' //Х*\ УУУТУ/ УШууШ
— — ШШ
У////////// ZW////Z//
шт, в 'Ш/ш шш. ■1 //ШУ///;
fl|fl Щш ¡я ЙЙЙ
§т ¿////////// щж шШо> ЩШт*
~J—й Шш L//////////
б
Рис. 3. Зависимость максимальных напряжений растяжения от температуры при различных толщинах электродов: а - соответствует ТЭ из хромеля, б - из алюмеля (начало)
а
о. МП1 2300 2000 1500 1000 500 0
1П 473 673 873 1073 1273 Т. К
в
Рис. 3. Зависимость максимальных напряжений растяжения от температуры при различных толщинах электродов: в - из сплава вольфрама с рением (окончание)
Приведенные графики позволяют определить допустимые с точки зрения прочности диаметры термоэлектродов для измерения различных температур (области, в которых ТП подвергаются разрушению, заштрихованы).
Таким образом, ТП из хромеля и алюмеля могут использоваться для измерения температуры в застойных зонах и при невысоких скоростях потока. В проточных каналах, для которых характерно ускорение потока продуктов сгорания, следует использовать ТП с термоэлектродами большего диаметра.
Вольфрам-рениевые ТП обладают значительно большей прочностью, чем рассмотренные ранее, и позволяют измерять температуры до 1200-1400 К даже при значительных скоростях потока и небольших диаметрах ТЭ, обеспечивающих существенно меньшую инерционность.
Исследование тепловой инерционности термопар может быть проведено с помощью программного пакета Ansys Fluent путем решения задачи теплообмена ТП с газовым потоком в трехмерной постановке [3]. При решении этой задачи были приняты следующие допущения и упрощения:
- отсутствует теплообмен с элементами датчика;
- рассматривается исключительно та часть термопары, которая находится в газовом потоке;
- не учитывается способ соединения термоэлектродов, как следствие геометрическая модель представляет собой цилиндр заданных размеров, обтекаемый потоком продуктов сгорания;
Расчеты проводились при скорости потока V=430 м/с, температуре газа 7=1400 К, Численный эксперимент проводился для ТП из сплава вольфрама с рением при диаметрах термоэлектродов dтэ = 0,05-0,5 мм.
contour 1
Velocity MaqnrltKlo 6 56G+02
s 90e+Q?
5-25е »02
4£9С>0?
3 >02 ( -
3?8e+02 2 626»02 1 976+02 1-31о*02 6
ОООе+ОО
1 546+ОЭ 1 52е+03 1 51а-аз 1 49a+03 1 л.Ве-03 1,46в+0Э t.45e+03
1 43в-*03 г
1.424+03
1
1*1 1 ЗЭ«+ОЭ
Рис. 4. Картина обтекания и нагрева чувствительного элемента термопары
208
Результаты моделирования процесса прогрева чувствительного элемента ТП представлены на
рис. 5.
Рис. 5. Зависимость температуры чувствительного элемента ТП от времени при: 1 - йтэ = 0,05 мм, 2 - йтэ = 0,1 мм, 3 - йтэ = 0,2 мм, 4 - йтэ = 0,4 мм, 5 - йтэ = 0,5 мм
Из рисунка следует, что время прогрева ТЭ существенно зависит от их диаметра: при йТЭ = 0,1 мм оно составляет 0,0075 с, а при йТЭ = 0,2 мм - 0,019 с. Следовательно, для уменьшения динамической погрешности измерения температуры необходимо использовать ТЭ возможно меньшего диаметра. С другой стороны, ограничения на допустимый минимальный диаметр накладывает предел прочности ТП, что приводит к появлению комплексной задачи, не имеющей однозначного решения.
Необходимо отметить, что при установившемся тепловом балансе между потоком горячего газа и термопарой, датчик будет показывать не температуру газа, а температуру его торможения, которая всегда имеет большие значения. В данном случае, при заданной температуре потока Т=1400 К, температура чувствительного элемента достигает 1500 К. Это также необходимо учитывать при определении инерционности, поскольку в истинное значение температуры ТП начнет регистрировать несколько раньше, чем показано на рис. 5.
Таким образом, проведена оценка влияния диаметра ТЭ на их прочностные характеристики при воздействии горячего газа. Определены предельные температуры и скорости потока, при которых ТП различного диаметра не разрушаются.
Из полученных результатов следуют противоречивые выводы: с одной стороны, для повышения точности измерений необходимо использовать ТЭ как можно меньшего диаметра, с другой же - при высоких температурах и скоростях потока для обеспечения прочности необходимо выбирать ТЭ большего диметра, что приводит к понижению точности.
Решение этой проблемы имеет два наиболее радикальных способа:
- для обеспечения прочности ТП целесообразно устанавливать их в специальные втулки с заглублением. Однако при таком подходе могут существенно возрастать ошибки в измерениях, вызванных смещением спая;
- для повышения точности измерений целесообразно применять датчики температуры со спаренной термопарой, что позволяет даже при больших диаметрах ТЭ получать приемлемую точность измерений.
Также необходимо отметить, что при эксплуатации ТЭ достаточно большого диаметра или же их заглублении в специальные втулки компенсировать неточность измерений и инерционность датчиков позволяет введение коэффициентов восстановления. Они позволяют приводить полученные данные к реальной температуре потока при обработке результатов.
Список литературы
1. Дунаев В. А., Бригадиров М.Г. Вычислительный эксперимент в тепломеханике реактивных снарядов: монография. Тула: изд-во ТулГУ, 2002. 144 с.
2. Никитин В.А., Швыкин Ю.С., Юрманова Н.П. Термодинамические основы внутренней баллистики: учеб. пособие, перераб. и доп. Тула: изд-во ТулГУ, 2008. 180 с.
3. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоиздат, 1984. 152 с.
4. Рогельберг И.Л., Бейлин В.М. Сплавы для термопар. М.: Металургия, 1983. 360 с.
5. Ярышев Н.А. Теоретические основы измерений нестационарной температуры. Л.: Энерго-атомиздат, 1990. 256 с.
Сладков Дмитрий Валерьевич, магистрант, sladckov. d@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский Государственный Университет,
Научный руководитель - Дунаев Валерий Александрович, д-р техн. наук, профессор, dwa222@mail.ru, Россия, Тула, Тульский Государственный Университет
ANALYSIS OF THE EFFECT OF HOT GAS FLOW ON THERMOCOUPLES BY NUMERICAL SIMULA TION
METHODS
D.V. Sladkov
The article considers the possibility of evaluating the force and temperature effects on the sensitive elements of a thermocouple by numerical simulation. A comparative analysis of the load resistance of thermoelec-trodes made of various materials and with different junction diameters is carried out, and some recommendations are also given for choosing a combination of these parameters depending on the intended application conditions.
Key words: numerical modeling, thermocouple, thermoelectrode, experiment, thermomechanical systems.
Sladkov Dmitri Valeryevich, postgraduate, sladckov. d@yandex. ru, Russia, Tula, Tula state University,
Scientific supervisor - Dunaev Valery Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, dwa222@mail.ru, Russia, Tula, Tula state University
УДК 004.93
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-210-217
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ
МЕТОДА СРЕДНЕГО РЕШАЮЩЕГО ПРАВИЛА С УМНЫМИ ВЫБОРКАМИ
М.Ю. Курбаков
В работе представлено экспериментальное исследование ранее разработанной высокопроизводительной реализации метода среднего решающего правила с умными выборками (HP-SS-KMDR) в условиях большого числа объектов. Показано, что такой подход может эффективно использоваться при работе с крупными обучающими совокупностями и позволяет существенно повысить скорость вычислений по сравнению с традиционными методами, при этом не уступая им в качестве.
Ключевые слова: бинарная классификация, большая обучающая совокупность, высокопроизводительные вычисления, SVM.
Введение. Задача двухклассового распознавания является одной из наиболее распространенных задач анализа данных. Массовыми источниками таких задач являются такие важные области, как молекулярная биология, горнодобывающая и нефтяная промышленности, медицинские системы и системы видеонаблюдения, маркетинг и многие другие.
В настоящее время известно множество подходов к решению задачи двухклассвого распознавания, например, метод опорных векторов (Support Vector Machines, SVM) [1], который является одним из наиболее удобных и точных методов решения данной задачи и широко используется во многих приложениях. Однако, при решении крупных задач SVM возникают проблемы высокой вычислительной сложности, нехватки памяти для единовременного хранения исходной обучающей совокупности и отсутствие эффективного метода работы с разреженными данными в традиционном формате «libsvm». Практически все существующие методы, детальный обзор которых приведен в [2], направлены на решение только некоторой части из указанных проблем, а также, как правило, имеют и другие недостатки, наиболее важными из которых является отсутствие возможности введения нелинейности и итерационная природа с многочисленными зависимостями по данным.
