CC BY
103
Y Бутенко М.А., Бурнос Д.В., Хоперсков С.А., Холодков В.С., Морозов А.Г., 2012
УДК 32.97+32.973.2 ББК 004.42
ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМАМИ ВЕНТИЛЯЦИИ НА ОСНОВЕ ПРЯМОГО ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ1
М.А. Бутенко, Д.В. Бурнос, С.А. Хоперсков, В.С. Холодков, А.Г. Морозов
Разработана модель информационной системы для решения задач оптимизации и управления системами вентиляции крупных промышленных цехов на основе прямого газодинамического моделирования с применением параллельных технологий. В основе программного комплекса лежит объектно-ориентированный подход. При построении информационной модели использовался язык UML.
Ключевые слова: информационная модель, системы вентиляции, аспирационные течения, газодинамика, конвекция.
Введение
Системы вентиляции обеспечивают выполнение технологических и экологических требований в крупных промышленных цехах металлургической, химической, деревообрабатывающей, цементной и других отраслей промышленности. При проектировании вентиляционной системы ставится задача обеспечения заданных условий в рабочей зоне по температуре, подвижности воздуха, его химическому составу, фракционному составу аэрозолей, влажности. В производственных помещениях имеется большое число разнообразных источников тепла, загрязняющих примесей, устройств воздухообмена. Возникает задача оптимального размещения технических устройств различного рода и управления их работой.
Проектирование приточных и вытяжных систем вентиляции должно быть основано на требованиях, изложенных в работе М.И. Гри-митлина, СНИП 41-01-2003 и СНБ 4.02.01-03 [3; 8; 9]. Некоторые методы и подходы для
моделирования течений газа в приложении к различным задачам вентиляции, кондиционирования и аспирации изложены в работах
О.А. Аверковой и С.С. Кобылкина [1; 5]. Имеющиеся в настоящее время инструменты оптимизации основаны на простых инженерных расчетах [11], не способных адекватно описывать сложные динамические процессы и реальную геометрию цеха [10].
Задача одновременного определения полей температуры и скорости воздуха для исследования аэродинамики вентиляции внутри существенно трехмерного объекта (крупного цеха объемом порядка 106 м3) при наличии большого числа устройств регуляции воздухообмена может быть решена только в рамках прямого численного газодинамического моделирования на основе эффективных численных алгоритмов интегрирования полных уравнений газодинамики. Близкими по размерам являются карьеры, для которых актуальной является задача проветривания нижних частей глубоких карьеров [2]. Аналогичными по трудности задачами являются расчет аэродинамики сложной урбанизированной территории [14], моделирование вентиляции подземных сооружений и шахт [6], изучение динамики примесей от крупного промышленного объекта, динамики поверхностных вод на
сложном неоднородном рельефе местности [7]. Основной проблемой моделирования динамики воздуха в промышленном цехе с учетом источников тепла и газа от печей и приточновытяжных агрегатов для вентиляции представляется необходимость получения решений с очень высоким пространственным разрешением ^1<<а<<Х (ll<<a<<L - размер численной расчетной ячейки, а - характерный размер агрегата для вентиляции, Х - размер цеха). Для типичных параметров а = 2 м, Х = 300 м для ячейки имеем не более _ I = 0,2 м. При использовании равномерных численных сеток получаем число ячеек N р 108 - 109. Указанные оценки с необходимостью требуют привлечения параллельных технологий.
В последние годы в зарубежной научной литературе появляются первые работы, демонстрирующие возможность прямого численного моделирования динамики воздуха с учетом технологических процессов в приложении к задачам промышленной вентиляции [15, 16]. Это стало возможным в связи с развитием численных методов моделирования динамики газа, а также с доступностью суперкомпьютеров и использованием параллельных технологий.
С одной стороны, наблюдается значительный прогресс в области численного моделирования сложных нестационарных многомерных физических процессов и явлений, в том числе процессов тепло- и массообмена. Однако применение указанных подходов для решения соответствующих прикладных задач, связанных с проектированием и оптимизацией разного рода технологических систем и производственного оборудования, все еще остается весьма ограниченным. В результате в проектно-конструкторской практике традиционно используются инженерные методы расчета, имеющие ограниченные возможности, несмотря на соответствие отраслевым нормативам [8; 9].
Поставим задачу создания программного комплекса для моделирования тепломас-сопереноса внутри цеха размером порядка 300 м ф 60 м ф 40 м с учетом сложной внутренней геометрии, обмена воздуха с атмосферой, работой печей и вентиляционных агрегатов. Важнейшими компонентами представляются модули визуализации и статистичес-
кой обработки результатов моделирования. В отличие от традиционно применяемых инженерных методик [11], основанных на интегральных оценках и полуэмпирических формулах, развиваемый подход позволяет наглядно проанализировать работу самых сложных систем вентиляции и кондиционирования в 3-мерной постановке.
В настоящее время все более распространенным является использование так называемых «коммерческих кодов» (FlowVision, Xflow, ANSYS, HydroGeo, Flometrics и др.), представляющих собой «универсальные» вычислительные программы, предназначенные для решения максимально широкого круга задач гидродинамики и тепломассообмена. Отметим важный недостаток коммерческих кодов, связанный с их максимальной универсализацией, что приводит к достаточно низкой вычислительной эффективности. С этой точки зрения коммерческие коды неизбежно уступают специализированным «научным» программам, базирующимся на моделях и алгоритмах, при разработке которых в гораздо более полной мере учитываются специфические особенности рассматриваемых конкретных задач [13].
Структура информационной системы
В основе проектирования программного комплекса (ПК) лежит модульный подход и объектно-ориентированное программирование. Для построения более эффективного расчетного модуля он был реализован на языке программирования C++, а модуль визуализации на языке C# платформы Net. Программный комплекс состоит из девяти основных модулей и блоков (см. рис. 1):
1. Интерфейс программного комплекса обеспечивает управление работой всего программного продукта: управляет потоками данных, позволяет работать со всеми модулями и блоками ПК, обеспечивает взаимосвязь между модулями и блоками.
2. База данных входных параметров технических устройств содержит структурированный список физических и технических параметров всех технологических устройств крупного промышленного помещения, включая различного рода аспирационные и вентиляционные устройства, металлургические печи и др.
Рис. 1. Схема, отражающая принцип и структуру работы программного комплекса; стрелками указаны направления потока данных
3. Модуль построения расчетной области обеспечивает задание геометрии помещения, описание источников теплообмена и конфигурации вентиляционных устройств. Эти сведения модуль берет из базы данных. На основе этих данных генерируется расчетная область и начальное состояние для расчета дальнейшей эволюции процессов тепло-и массообмена в моделируемом помещении, задаются типы граничных условий.
4. Расчетный модуль обеспечивает проведение расчетов, основанных на программной реализации прямого численного интегрирования уравнений нестационарной гидродинамики применительно к задаче движения воздуха в крупном промышленном цехе с применением параллельных технологий.
5. Файловый блок настроек проекта предназначен для хранения, редактирования и выбора настроек проекта.
6. Файловый блок выходных данных предназначен для хранения файлов состояния газа, полученных в результате моделирования (файлы формата DAT-binary).
7. Модуль 2D-визуализации позволяет просматривать результаты расчетов в двухмерном виде для заданных моментов времени. 2D-данные представляют собой срезы распределений полей скоростей и температуры при заданных технологических режимах работы цеха.
8. Модуль 3D-визуализации предназначен для просмотра и анализа результатов расчетов в трехмерном виде.
9. Блок математической обработки данных включает ^мерный куб данных, полученный при расчетах, обеспечивает математическую обработку для выбранных алгоритмов (усреднение по заданным зонам, дисперсии и асимметрии распределений параметров, аппроксимация). Для нахождения оптимальной конфигурации, согласно критериям оценки, используется итерационный подход.
Созданный ПК имеет модульную архитектуру и состоит из расчетного и управляющего модулей. Отметим следующие ключевые особенности:
1. Расчетный модуль можно запускать отдельно на любом локальном компьютере при наличии непосредственного физического или удаленного доступа.
2. Количество расчетов для отдельно взятой машины ограничено только системными ресурсами.
3. Позволяет работать с изменяющимися во времени трехмерными данными аналогично 4D-подходу, рассмотренному в работе С.С. Храпова и др. [12]. Рассматриваемый программный комплекс для оптимизации и управления системами вентиляции является компьютерным приложением, объединяющим под общим интерфейсом три основных модуля: расчетный блок, модуль визуализации и блок математической обработки расчетных данных. При запуске приложения пользователь может создать новый проект посредством задания входных параметров для нового расчета при
работе с базой данных. Пользователь выбирает устройства с подходящими для его конкретной задачи параметрами, задает геометрию производственного помещения, размещает в нем устройства, тем самым генерируя расчетную область. На следующем этапе необходимо задать газодинамические параметры для формирования начального состояния. После выполнения этих процедур можно начинать новый расчет.
Выходные файлы, содержащие в себе газодинамическое состояние системы в некоторый момент времени t, представляют собой массивы данных, которые записываются в бинарном виде в файл через определенные промежутки времени t, определяемые пользователем. Эти файлы сохраняются в определенной директории на дисковом пространстве. Если имеется расчет, который по какой-то причине был прерван до достижения расчетного времени, то пользователь может открыть ранее созданный проект и продолжить незавершенный расчет, считав состояние газодинамической системы из бинарного файла, хранящегося на жестком диске.
Программное выделение расчетного модуля позволяет пользователю обрабаты-
вать полученные ранее расчетные данные, визуализировать их в динамическом режиме. Параллельная визуализация обеспечивает оперативное управление численным экспериментом, меняя условия его проведения в режиме реального времени. Общая диаграмма активности (деятельности) приложения представлена на рисунке 2.
На рисунке 3 изображена диаграмма прецедентов. Эктор-пользователь программного комплекса (ПК) может активировать несколько вариантов использования (ВИ). Во-первых, он может задать начальные данные для подготовки нового расчета, что включает в себя следующие действия: определение свойств источников тепла и массы в моделируемом помещении; генерация расчетной области с определением всех граничных условий; формирование начального состояния, которое будет использоваться непосредственно в дальнейшем расчете. Во-вторых, пользователь может запустить новый расчет, используя полученный файл начального состояния. В-третьих, он может продолжить ранее начатый расчет, если результаты визуализации показали, что стационарное состояние воздуха в промышленном помещении при данной конфигурации вентиля-
Рис. 2. Диаграмма активности программного комплекса для оптимизации и управления системами
вентиляции крупных промышленных цехов
Рис. 3. Диаграмма прецедентов
ционных и прочих технологических устройств не достигнуто или расчет был прекращен по каким-либо причинам, не достигнув расчетного времени. Расчетные данные могут быть визуализированы. Также эктор может произвести математическую обработку ранее полученных расчетных данных с целью дальнейшей оценки результатов по выбранным критериям, в случае отрицательного результата пользователь может вернуться к заданию начальных условий и запуску нового расчета с учетом результатов предыдущей оценки.
В основе модуля расчета динамики газа лежит численный алгоритм, описанный в работе М.А. Еремина и др. [4], показавший адекватность и эффективность для данной задачи. В качестве примера на рисунке 4 показан типичный результат расчета поля скоростей.
Информационные модели и структурные диаграммы ИС были созданы в Microsoft Office Visio 2010.
Заключение
В работе описана модель информационной системы для численного моделирования динамики воздуха в крупном промышленном помещении для решения задач оптимизации проектирования вентиляционной системы. В основе концепции построения ИС лежит модульный принцип, распараллеливающий процессы проведения численного газодинамического эксперимента и обработки / визуализации результатов расчета. Предусмотрена возможность динамического вмешательства в условия проведения численного эксперимента.
40-
30-
20-
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Рис. 4. Поле скоростей для модели металлургического цеха. Вблизи горизонтальной координаты м располагается печь для варки стали, создавая в среднем вертикальный поток горячего воздуха, который уходит в вентиляционный фонарь на крыше
..ли
_.t 11 m * *t ■ t * t * ч * ■ Jt* * 4 * * * ■
^ ч ** *
M Я -У ^ I ^ ^ ^
Я Я Я Я ^ J
^ ^ Д»# 1 I V -
* f> * * jr jr JT JTA -
J î Jri ? f ifj" "H * * * * * * ¡| -
4 4 4 А * *'*’*** * # *ЧГЛГ++-+-•J* ,
4 Î ♦ I ЪЪ*‘Ч'*~*'*~А'4ГЛ'Л'*'*'*'*'*’ЛГЛГ*'41~*'*~*~4' * 1 . î ! i +-4г л? * èr tr sr* Ж *r? I
л 4 л л * л f fc * * •‘ItmtCmmKm * tr at вг *r лг я- . I
« * * * * I a T* * * I/ * * * * it * * * “*■*■*■ *'*'Г > ‘
ji '
^ ^ ^4'+-+-+-+'4г4г‘*глглгвелг*‘4г*‘ж4гм,4г4г4г*г*г*г*г*г+г'%
>>>Ji
Г -» 'ЛТк -U ■* ■* ^ ^ L
J £ V L,
л а a Z Z *V
I А A A - ^ * Ъ
Л Л Л А л* + .
f г г Я г Р Р Я Я М * jwр » tttttPPPP * JT Jt> *
ttttffPPJ* Я Р Я J* +J+1
tttttffPP* М Л jr jr * -фJtt
tttttttPP* * Jt Я Л Л
tttttttfifi fi * * Я JtJf + ♦
ftttitt** **3!*jfjrjrjtjr*jrswjwjrt t ftffttttPt f> РЯМЯЯЯЯЯаЯЯ*} f fipjrjfjtxjrjrjrjrjrjrti f
tfft
iiHiittiitiiittttimm t ч к ч ч
iî
? jTJiT
Тестовые расчеты продемонстрировали эффективность работы информационной системы.
На этапе предварительного проектирования системы вентиляции результаты численного моделирования позволяют:
- прогнозировать и объективно сравнивать между собой результаты реализации различных изучаемых конфигураций системы общеобменной и местной вентиляции и кондиционирования (ОВК);
-построить картину пространственных распределений температуры, вредных примесей, влажности и скорости воздуха в заданном помещении для рассматриваемой конфигурации системы ОВК;
- исследовать особенности функционирования систем для выработки рекомендаций по оптимизации конструкции либо режима их функционирования.
ПРИМЕЧАНИЯ
1 Работа выполнена при частичной поддержке УМ.Н.И.К (гос. контракт №2 У-3), темы «Системы мониторинга, диагностики и управления в экологии и медицине на основе информационных технологий и компьютерного моделирования» в рамках государственного задания Минобрнауки, гранта РФФИ 11-07-97025. Тестовые расчеты проведены на суперкомпьютере «Ломоносов» (НИВЦ МГУ им. М.В. Ломоносова).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аверкова, О. А. Вычислительный эксперимент в аэродинамике вентиляции / О. А. Аверкова. - Белгород : Изд-во БГТУ, 2011. - 110 с.
2. Гримитлин, М. И. Распределение воздуха в помещениях / М. И. Гримитлин. - СПб. : АВОК Северо-Запад, 1994. - 320 с.
3. Еремин, М. А. Конечно-объемная схема интегрирования уравнений гидродинамики / М. А. Еремин, А. В. Хоперсков, С. А. Хоперсков // Изв. Волгогр. гос. техн. ун-та. Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах». - 2010. -Т. 6, №° 8. - С. 24-27.
4. Кобылкин, С. С. Обзор существующих средств программного обеспечения для моделирования вентиляции подземных сооружений и шахт / С. С. Кобылкин, О. В. Сологуб // Гор. информ.-ана-лит. бюллетень. - 2009. - Т. 13, № 12. - С. 115-132.
5. Косарев, Н. П. Аэродинамика струйно-всасывающей схемы вентиляции застойных зон глубоких карьеров / Н. П. Косарев [и др.] // Изв. высш. учеб. заведений. Гор. журн. - 2005. - №2 6. -С. 16-18.
6. Логачев, К. И. Компьютерное моделирование процессов теплогазоснабжения и вентиляции : учеб. пособие / К. И. Логачев, А. И. Пузанок, О. А. Аверкова. - Белгород : Изд-во БГТУ им. В. Г. Шухова, 2006. - 156 с.
7. Прямое моделирование динамики поверхностных вод на территории Волго-Ахтубинской поймы / А. В. Хоперсков [и др.] // Суперкомпью-терные технологии в науке, образовании и промышленности. - Вып. 3 / под ред. акад. В. А. Садовниче-го, акад. Г. И. Савина, чл.-корр. РАН Вл. В. Воеводина. - М. : Изд-во Моск. ун-та, 2011. - С. 93-98.
8. СНБ 4.02.01-03. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха / Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь. - Мн., 2004. - 78 с.
9. СНИП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование / ГОССТРОЙ РОССИИ. - М., 2004. - 54 с.
10. Формирование нестационарных режимов при моделировании аспирационных течений: неустойчивость Кельвина - Гельмгольца / А. В. Хоперсков [и др.] // Вестн. ВолГУ, Сер.1, Математика. Физика. - 2011. - Т. 14, №> 1. - С. 151-155.
11. Хрусталев, Б. М. Теплоснабжение и вентиляция / Б. М. Хрусталев - М. : Изд-во АСВ, 2008. -784 с.
12. 4Б-модели в задачах экологического моделирования: проектирование информационной системы / С. С. Храпов [и др.] // Вестн. ВолГУ. Сер.10, Инновационные технологии. - 2011. -№5.- C. 119-124.
13. Bradshaw, P. Collaborative Testing of Turbulence Models / P. Bradshaw, B. Launder, J. Lumley ; research supported by U.S. Army, U.S. Navy and NASA // AIAA, Aerospace Sciences Meeting, 29th, Reno, NV, 7-10 Jan. 1991. - Standford, 1992. - 7 p.
14. Raji, A. Numerical study of natural convection dominated heat transfer in a ventilated cavity: Case of forced flow playing simultaneous assisting and opposing roles / A. Raji, M. Hasnaoui, A. Bahlaoui // International Journal of Heat and Fluid Flow. - 2008. -Vol. 29. - P 1174-1181.
15. van Hooff, T. On the effect of wind direction and urban surroundings on natural ventilation of a large semi-enclosed stadium / T. van Hooff, B. Blocken // Computers & Fluids. - 2010. - Vol. 39 -P 1146-1155.
16. Zhao, F.-Y. Multiple steady fluid flows in a slot-ventilated enclosure / F.-Y. Zhao, D. Liu, G.-F. Tang // International Journal of Heat and Fluid Flow. - 2008. -Vol. 29. - P 1295-1308.
THE INFORMATION MODEL OF PROGRAM COMPLEX FOR OPTIMISATION AND CONTROL OF VENTILATION SYSTEMS BASED ON DIRECT GASDYNAMIC SIMULATION
M.A. Butenko, D. V. Burnos, S.A. Khoperskov, V.S. Kholodkov, A.G. Morozov
The model of information system was developed for solving optimization problems and control ventilation systems of large industrial plants. The calculation module was based on the direct gas-dynamic simulations using parallel technologies. In the core of the program complex was object-oriented approach. The information model was constructed by UML language.
Key words: information model, ventilation systems, aspiration flow, gas dynamics, convection.
