CC BY
2
ISSN1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 2
Научная статья
УДК 004.02:004.04:666.189.32
doi: 10.17213/1560-3644-2023-2-34-38
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СТРУКТУРА И АЛГОРИТМ РАБОТЫ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ПОРООБРАЗОВАНИЯ СТЕКЛОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНОГО СИЛИКАТНОГО СЫРЬЯ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ СИНТЕЗЕ
Л.А. Яценко
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
Аннотация. Представлена функциональная структура работы динамической модели процесса порообразования с возможностью ввода данных изменяющихся факторов и моделирования процесса порообразования при высокотемпературном синтезе пористых стеклокомпозиционных материалов (стеклокомпози-тов) на основе природного силикатного сырья. Построена контекстная диаграмма (DFD) с использованием нотации Йодана, которая моделирует систему наиболее общим образом и воссоздаёт интерфейс системы. Отражены основные шаги работы динамической модели и блок-схема алгоритма рабочего процесса. Приведено поэтапное описание выполнения функции визуализации Visual.
Ключевые слова: функциональная структура, алгоритм работы, динамическая модель, модель процесса порообразования, силикатное сырье, пористая структура
Благодарности: данная научно-исследовательская работа выполняется при поддержке стипендии Президента РФ молодым ученым и аспирантам (конкурс 2021-2023 года), Проект СП-1337.2021.1.
Для цитирования: Яценко Л.А. Функциональная структура и алгоритм работы динамической модели процесса порообразования стеклокомпозитов на основе природного силикатного сырья при высокотемпературном синтезе // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2023. № 2. С. 34-38. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2023-2-34-38
Original article
FUNCTIONAL STRUCTURE AND OPERATING ALGORITHM OF A DYNAMIC MODEL OF THE PORE FORMATION PROCESS OF GLASS COMPOSITES BASED ON NATURAL SILICATE RAW MATERIAL IN HIGH-TEMPERATURE SYNTHESIS
L.A. Yatsenko
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Abstract. The functional structure of the operation of a dynamic model of the pore formation process with the possibility of inputting data of changing factors and modeling the pore formation process during high-temperature synthesis of porous glass composite materials based on natural silicate raw materials is presented. A context diagram (DFD) has been built using Yourdon notation, which models the system in the most general way and recreates the system interface. The main steps of the dynamic model and the block diagram of the algorithm of its workflow are reflected. A step-by-step description of the execution of the visualization function Visual is given.
Keywords: functional structure, operation algorithm, dynamic model, model of the pore formation process, silicate raw materials, porous structure
Acknowledgements: this research work is carried out with the support of the scholarship of the President of the Russian Federation to young scientists and postgraduates (competition 2021-2023), the Project SP-1337.2021.1.
For citation: Yatsenko L.A. Functional Structure and Operating Algorithm of a Dynamic Model of the Pore Formation Process of Glass Composites Based on Natural Silicate Raw Material in High-Temperature Synthesis. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2023;(2):34-38. (In Russ.). http://dx.doi.org/ 10.17213/1560-3644-2023-2-34-38
© ЮРГПУ(НПИ), 2023
ISSN1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 2
Введение
Вследствие ужесточения требований к энергоэффективности производственных и жилых сооружений и помещений общепринятые материалы для строительства уже не могут предоставить необходимую величину теплового сопротивления. Следовательно, требуется дополнительно утеплять фасады посредством применения современных энергоэффективных теплоизоляционных материалов [1-3], которые должны совмещать в себе следующие свойства: негорючесть, высокое термическое сопротивление, высокая механическая стойкость, долговечность, нетоксичность, легкость установки и общедоступная цена [4-7]. Большая часть из имеющихся теплоизоляционных материалов не соответствует вышеупомянутым запросам. В большинстве своем полимерные утеплители обладают высокой горючестью, причем сроки эксплуатации особенно распространенных из них на рынке теплоизоляционных материалов ограничены: для пенопластов 10 - 20 лет, а для волокнистых утеплителей 7-10 лет, при выполнении всех условий эксплуатации и монтажа.
Практически единственным теплоизолирующим материалом, который отвечает всем предписанным требованиям, выступает пористый стеклокомпозиционный материал, отличающийся не только превосходными изоляционными свойствами, но также всем перечнем преимуществ, присущих стекломатериалам (устойчивость к вредителям и агрессивным средам, долговечность, абсолютная пожаробезопас-ность и др.). Основным недостатком пористого стеклокомпозиционного материала является его относительно высокая стоимость. В качестве сырьевого материала используется дефицитный стеклобой [8-9]. Многообещающим способом разрешения этой проблемы представляется замена боя стекла на техногенное и природное сырье. Самым тяжелым этапом получения вспененной структуры является высокотемпературная стадия разложения порообразующей смеси с выделением газообразного порообразо-вателя. В режиме реального времени при обжиге материала в высокотемпературной печи у исследователей отсутствует возможность наблюдать процесс образования, роста и агрегации пор. Отсюда следует, что проведение исследований процессов порообразования при синтезе пористых стеклокомпозитов с применением современных компьютерных технологий [10], которые позволят производить предварительное
динамическое моделирование процессов порообразования, предсказать процесс структуризации материала, и, таким образом, снизить количество лабораторных экспериментов, являются актуальными.
Экспериментальная часть
Принимая во внимание значительные энерго- и трудозатраты, наряду со сложностью синтезируемых составов [11], обосновано использование современных компьютерных технологий, которые предоставят возможность существенно повысить эффективность исследований, а также снизить временные и материальные расходы на реализацию исследовательских экспериментов. Главной задачей при этом становится разработка динамической модели процесса порообразования стеклокомпозитов на основе природного силикатного сырья, позволяющей исследовать процессы порообразования при синтезе стеклокомпозитов, реализации их управления и получать визуальную модель на определенном этапе. Разработка динамической модели основывается на данных, полученных теоретическим и экспериментальным путем, а также математическим моделированием [12, 13].
Разработка функциональной структуры работы динамической модели процесса порообразования.
Разрабатываемая в ходе проектирования динамическая модель должна выполнять следующие задачи:
1. Предоставлять возможность осуществлять ввод данных изменяющихся факторов для визуализации процесса порообразования.
2. Моделировать процесс порообразования при высокотемпературном синтезе пористых стеклокомпозитов на основе природного силикатного сырья [11].
Полная функциональная структура представлена на рис. 1.
Контекстная диаграмма.
Для отображения БГБ по традиции применяются две отличающиеся нотации: Гейна-Сарсона (Оат-Батом) и Йодана (Уоитйоп). В дальнейшем при построении будет использоваться нотация Йодана.
Потоки данных являют собой механизмы, которые используются при моделировании трансляции информации (или же физических составляющих) из одной части системы в другую. Значительность данного объекта очевидна: он дает наименование целому инструменту.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 2
Потоки на диаграммах, как правило, рисуются стрелками с названиями, ориентированность которых показывает направленность передвижения информации. Временами информация двигается в одном направлении, обрабатывается и возвращается назад к ее источнику. Данная картина способна моделироваться одним двунаправленным потоком или двумя различными потоками.
Рис. 1. Функциональная структура системы / Fig. 1. Functional structure of the system
Немаловажную специфичную роль в модели исполняет особый вид БЕБ - контекстная диаграмма, которая моделирует систему наиболее общим образом. Контекстная диаграмма воссоздаёт интерфейс системы, взаимодействующий с внешним миром - это информационные потоки между системой и внешними сущностями, с которыми она обязана иметь связь. Диаграмма идентифицирует эти внешние сущности и один процесс, который отражает основную цель или природу системы, насколько это возможно. Контекстная диаграмма кажется элементарной, но бесспорная ее польза состоит в том, что она определяет границы рассматриваемой системы. Любой проект обязан обладать только одной контекстной диаграммой, в данном случае не нужно нумеровать единственный ее процесс (рис. 2).
В данной контекстной диаграмме, с единственным процессом «ОБСЛУЖИТЬ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ», идентифицируются и характеризуются внешние сущности «ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ ПРОГРАММЫ», «WEB - СЕРВЕР», сохраняющий информацию обо всех статистических и внесенных данных.
Разработка алгоритма работы динамической модели процесса порообразования.
Главной функцией динамической модели является формирование процесса порообразования при высокотемпературном синтезе пористых стеклокомпозиционных материалов. Работа динамической модели осуществляется в несколько шагов (рис. 3):
1. Внесение данных.
2. Проверка внесенных данных.
3. Расчет текущих динамических параметров.
4. Запуск процедуры визуализации по заданным параметрам.
Работа процедуры визуализации Visual происходит следующим образом: расчёт плотности в зависимости от заданных параметров; вызов функции calculateDatas - в качестве параметра передаётся рассчитанная плотность; функция calculateDatas рассчитывает диаметр и плотность пор в зависимости от заданной плотности, вслед за тем она запускает функцию drawlmage с рассчитанными параметрами d, n, t; функция drawlmage рассчитывает различные вспомогательные параметры, и, в заключение, запускает функцию drawFigures, которая осуществляет визуализацию; функция drawFigures в своей работе для отрисовки каждой отдельной
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 2
фигуры запускает функцию, которая рисует одну фигуру, круг или многоугольник. Координата, по которой будет нарисована фигура, задается случайным образом в пределах блока на свободном месте. После того, как фигура уже нарисована, функция считает её площадь и, если сумма площадей всех фигур будет равна выделенной площади, то функция остановит процесс отрисовки.
Рис. 3. Блок-схема алгоритма работы динамической модели / Fig. 3. Block diagram of the dynamic model operation algorithm
Заключение
1. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана функциональная структура динамической модели процесса порообразования при высокотемпературном синтезе пористых стеклокомпозитов, включающая обобщенную контекстную диаграмму.
2. Для предложенной функциональной структуры динамической модели разработан обобщенный алгоритм работы. В состав блоков алгоритма входят: блок ввода данных, блок проверки температуры, блок расчета параметров, блок инициализации переменных, блок запуска функции визуализации, цикл повторения процедуры визуализации, блок вывода результатов визуализации.
Список источников
1. Жуков А.Д. Технология теплоизоляционных материалов.
Ч. 1. Теплоизоляционные материалы. Производство теплоизоляционных материалов: учеб. пособие. М.: МГСУ,
2011. 431 с.
2. Зарубина Л.П. Теплоизоляция зданий и сооружений. Материалы и технологии: 2-е изд. СПб.: БХВ-Петербург,
2012. 416 с.
3. Федоров С.Н. Приоритетные направления для повышения энергоэффективности зданий // Энергосбережение. 2008. № 5. С. 23-25.
4. Баженов Ю.М. [и др.]. Строительные материалы. М.: Стройиздат, 1986. 668 с.
5. Щеглов П.П. [и др.]. Пожароопасность полимерных материалов. М.: Стройиздат, 1992. 110 с.
6. Умняков П.Н. Теплоизоляция ограждающих конструкций жилых и общественных зданий. М.: Стройиздат, 1978. 160 с.
7. Сухарев М.Ф. Производство теплоизоляционных материалов и изделий. М.: Высшая школа, 1973. 304 с.
8. Вайсман Я.И. [и др.]. Научные и технологические аспекты производства пеностекла // Физика и химия стекла. 2015. Т. 41, № 2. С. 214-221.
9. Пузанов С.И. [и др.]. Комплексная переработка стеклобоя в производстве строительных материалов // Экология и промышленность России. 2009. № 12. С. 4-7.
10. Яценко Л.А. Аналитический обзор современных программных средств для исследования химико-технологических процессов и их оптимизации // Сб. избр. статей по материалам науч. конф. ГНИИ «Нацразвитие». СПб., 2021. С. 208-213.
11. Яценко Л.А. [и др.]. Синтез пористого стеклокомпозита на основе природного силикатного сырья Ростовской области // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2021. № 4 (212). С. 87-92.
12. Яценко Л.А. [и др.]. Применение методов математической статистики для исследования влияния параметров синтеза на свойства пористых стеклокомпозитов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2022. № 2. С. 78-84.
13. Яценко Л.А. [и др.]. Моделирование корреляционной зависимости параметров высокотемпературного синтеза и характеристик пористых стеклокомпозитов с использованием программных пакетов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2023. № 1. С. 91-97.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 2
References
1. Zhukov A.D. Technology of Thermal Insulation Materials. Part 1. Thermal Insulation Materials. Production of Heat-insulating Materials: Training Manual. Moscow: MSBU; 2011. 431 p.
2. Zarubina L.P. Thermal Insulation of Buildings and Structures. Materials and Technologies. 2nd ed. St. Petersburg: BHV-Peter-burg; 2012. 416 p.
3. Fedorov S.N. Priority Directions for Improving the Energy Efficiency of Buildings. Energy saving. 2008; (5): 23-25. (In Russ.)
4. Bazhenov Yu.M. et. al. Construction Materials. Moscow: Stroyizdat; 1986. 668 p.
5. Shcheglov P.P. et. al. Fire Hazard of Polymeric Materials. Moscow: Stroyizdat; 1992. 110 p.
6. Umnyakov P.N. Thermal Insulation of Enclosing Structures of Residential and Public Buildings. Moscow: Stroyizdat; 1978.
160 p.
7. Sukharev M.F. Manufacture of Heat-insulating Materials and Products. Moscow: Higher school; 1973. 304 p.
8. Vaisman Ya.I. et. al. Scientific and Technological Aspects of Foam Glass Production. Glass Physics and Chemistry. 2015; 41(2):214-221. (In Russ.)
9. Puzanov S.I. et. al. Integrated Processing of Cullet in the Production of Building Materials. Ecology and Industry of Russia. 2009; (12):4-7. (In Russ.)
10. Yatsenko L.A. Analytical Review of Modern Software Tools for the Study of Chemical-technological Processes and their Optimization. Collection of selected articles based on the materials of scientific conferences of the HNRI "National Development". St. Petersburg, 2021. Pp. 208-213.
11. Yatsenko L.A. et. al. Synthesis of Porous Glass Composites Based on Natural Silicate Raw Materials of the Rostov Region. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki= Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region.Technical Sciences. 2021; 212(4): 87-92. (In Russ.)
12. Yatsenko L.A. et. al. Application of Mathematical Statistics Methods to Study the Influence of Synthesis Parameters on the Properties of Porous Glass Composites. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2022; (2):78-84. (In Russ.)
13. Yatsenko L.A. et. al. Modeling the Correlation Dependence of High-Temperature Synthesis Parameters and Characteristics of Porous Glass Composites Using Software Packages. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2023; (1):91 -97. (In Russ.)
Сведения об авторах
Яценко Любовь Александровнав - инженер, luba488@yandex.ru
Information about the authors
Yatsenko Lyubov' A. - Engineer, luba488@yandex.ru
Статья поступила в редакцию / the article was submitted 18.04.2023; одобрена после рецензирования / approved after reviewing 02.05.2023; принята к публикации / acceptedfor publication 03.05.2023.
