CC BY
6
УДК 004.94:502.1
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-4-221-224
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ РАБОТЫ ГРАДИРНИ
А.М. Бочарова
Работа посвящена компьютерному моделированию работы градирни, а конкретнее моделированию выдуваемого ею воздуха и смешения с окружающей средой. Моделирование проводилось на основе программного обеспечения, в котором реализован численный метод решения дифференциальных уравнений с частными производными, а также интегральных уравнений, возникающих при решении задач прикладной физики, метод конечных элементов. Описывается процесс моделирования и оценивается влияние геометрических размеров конечных элементов на их число, а также на скорость расчета и требуемое на это время. Приводятся полученные данные о ходе и результатах компьютерного моделирования в виде численного представления, оформленного в виде таблицы. Делаются выводы о влиянии размера элемента на время расчета и число элементов, так как периодически требуется быстрый расчет, например, для предварительной оценки процесса, поэтому оценка затраченного времени является важной задачей для оптимизации рабочего и процессорного времени, затраченного на решение одной или нескольких задач. Предпринята попытка к определению наиболее оптимального соотношения затраченного на расчет времени и его качества.
Ключевые слова: градирня, моделирование, расчет, компьютерная программа, программное обеспечение, экология.
Компьютерное моделирование является современным методом для решения различных научно-технических задач. Среди прочего, компьютерным (математическим) моделирование в специализированных программных продуктах возможно получение решений ряда научно-технических задач таких как расчет и прогнозирование экологических выбросов и влияния некоторых факторов на окружающую среду [1-8]. В том числе можно провести моделирование работы градирни, а точнее моделирование испускаемого градирней воздуха.
Сами по себе выбросы от градирни (рис. 1) зависят от того, на каком предприятии она установлена и какие вредные вещества могут быть в испаряемой воде [9,10]. Однако на выходе из градирни в подавляющем большинстве случаев - теплы (горячий) воздух с высокой влажностью, что может повлиять на обледенение близлежащих зданий (при отрицательных температурах окружающей среды) или увеличения влажности объектов, находящихся недалеко от градирни. Поэтому исследование ее работы является важной задачей, которая может быть решена с помощью моделирования в программе Ansys. Основным методом, на котором базируется эта программа, является метод конечных элементов, который подразумевает решение различных дифференциальных и интегральных уравнений для каждого отдельно взятого элемента, на которые разбит исследуемый объект (объекты). В настоящей работе на элементы разбиваются 2 потока воздуха: 1 - выходящий из градирни, а 2 - поток воздуха окружающей среды. При этом общее число элементов в значительной мере влияет на сам расчет, его длительность и качество. Поэтому в данной работе будет исследовано то, как влияет число конечных элементов на разные параметры расчетов.
Для этого была проведена серия расчетов в программе Ansys, которые представляли собой непосредственный расчет выдуваемого из градирни воздуха отличающейся температуры от окружающей среды, с последующим их смешиванием. Расчеты отличались между собой размером элементов, который предварительно указывается при разбиении трехмерной модели. Были выбраны несколько размеров элементов: 3, 5,
10 и 50 м. Для сравнения высота градирни составила 60 м, а размеры области, которая моделируется, составляет 400x400x300 м. В качестве основных характеристик моделирования были выбраны:
- общее число конечных элементов;
- время, требуемое для построения сетки конечных элементов;
- время, требуемое для проведения моделирования.
Рис. 1. Схема работы градирни
Исследуемые характеристики представлены в таблице.
Основные исследуемые характеристики и их величины
Размер элемента, м Количество элементов, шт. Примерно время, требуемое для построения сетки конечных элементов, мин Примерное время, требуемое для расчета целиком, мин
3 3674528 2,00 138
5 1018712 1,00 17
10 175584 0,10 3
Для оценки времени следует указать то, как проводилось моделирование. Так оценка времени, которое необходимо на разбиение объекта на конечные элементы, проводилась при закрытых других программах и посторонних процесса, чтобы исключить неточности, связанные с загрузкой ЭВМ, на которой проводилось моделирование. Сами расчеты проводились также последовательно, чтобы исключить их влияние друг на друга. Моделирование проводилось на компьютере с процессором Intel Core i7 со встроенными 16 ГБ оперативной памяти и быстрым твердотельным накопителем информации.
Было установлено, что размер элемента (что является первичной информацией, которая заносится в программу) напрямую зависит на число элементов, а также на время расчета. Так изменение размера элемента с 3 до 10 м увеличивает число конечных элементов в практически 21 раз, при этом время, затраченное на построение сетки конечных элементов, также увеличивается на 2100%. Что же касается времени расчета, то в данном случае также произошло возрастание требуемого времени примерно в 46 раз.
Список литературы
1. Мягков Ю.В., Шипелов Ю.С. Моделирование охлаждения цилиндра двигателя средствами программного комплекса ANSYS CFX // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. Вып. 6. Ч. 1. С. 131-135.
2. Шишкина А.А. Сравнительный анализ данных для улучшения условий труда // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 9. С. 250-252.
3. Андреев С.М. Разработка и компьютерное моделирование элементов систем автоматизации с учетом специфики технологических процессов: Учебник / С.М. Андреев. М.: Academia, 2017. 36 c.
4. Кузин В.Ф. Бочаров С.М., Ерошкин И.Ю. Расчёт методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния при холодной сварке // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2009. Вып. 1. Ч. 1. С. 124128.
5. Шишкина А.А. Аналитический метод исследований условий труда и компьютерное моделирование // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 9. С. 287-290.
6. Городецкий А.С. Компьютерное моделирование в задачах строительной механики. М.: АСВ, 2016. 338 с.
7. Поршнев С.В. Компьютерное моделирование физических систем с использованием пакета MathCAD: Учебное пособие. М.: Горячая линия - Телеком, 2011. 320 с.
8. Сулейманов Р.Р. Компьютерное моделирование математических задач. Элективный курс: учебное пособие. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2011. 384 с.
9. Шакирбеков Н.А., Смагулова Э.М. Сравнительный анализ типов градирен // Студенческий электронный научный журнал 2019, № 11(55). [Электронный ресурс] URL: https://sibac.info/iournal/student/55/135317 (дата обращения: 01.03.2022).
10. Шишкина А.А. Металлургическая промышленность и ее негативное влияние на экологию // Инженерные технологии: традиции, инновации, векторы развития : сборник материалов VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Абакан: Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова, 2020. С. 107-108.
Бочарова Алена Михайловна, студент, shishkina5ap@ yanJex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
COMPUTER SIMULATION AND SOFTWARE FOR COOLING TOWER OPERATION STUDY
A.M. Bocharova
The work is devoted to computer simulation of the operation of the cooling tower, and more specifically, the simulation of the air blown out by it and mixing with the environment. The simulation was carried out on the basis of software that implements a numerical method for solving partial differential equations, as well as integral equations that arise in solving problems of applied physics, the finite element method. The modeling process is described and the influence of the geometric dimensions of finite elements on their number, as well as on the speed of calculation and the time required for this, is estimated. The obtained data on the course and results of computer simulation are presented in the form of a numerical representation, arranged in the form of a table. Conclusions are drawn about the influence of the element size on the calculation time and the number of elements, since a quick calculation is periodically required, for example, for a preliminary assessment of the process,
therefore, the estimation of the time spent is an important task for optimizing the working and processor time spent on solving one or more tasks. An attempt was made to determine the most optimal ratio of the time spent on the calculation and its quality.
Key words: cooling tower, modeling, calculation, computer program, software,
ecology.
Bocharova Alena Mikhailovna, assistant, shishkina5ap@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 004
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-4-224-229
УСТАНОВЛЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ СЕЗОННОЙ И МНОГОЛЕТНЕЙ
ДИНАМИКИ САМООЧИЩЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ГОРОДА ТУЛЫ
М.С. Ивлиева
Рассмотрены вопросы, касающиеся многолетней динамики индекса ПРА. На основе экспериментальных данных смоделирована математическая модель значений ряда ПРА. Проведена статистическая обработка экспериментальных данных индекса ПРА, дана оценка степени линейной корреляции, реализован метод «трёх сигм».
Ключевые слова: индекс ПРА, эксперементальные данные, математическая модель, статистическая обработка, метод «трёх сигм».
Климат планеты, в том числе территории РФ, закономерно меняется. Одним из последствий является ухудшение состояния приземной атмосферы, её способности к самоочищению. Во многих промышленных центрах долго сохраняются неблагоприятные метеоусловия. На государственном уровне проводится реализация государственной политики с целью снижения уровня загрязнения атмосферного воздуха не менее чем на 20 процентов совокупного объема выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух. В г. Туле выбросы в атмосферу загрязняющих веществ от стационарных источников в 2019 году составили 63,1 тыс. тонн., что сравнительно ниже городов, вошедших в перечень проекта «Чистый воздух» (1- Норильск 1838,2 тыс. тонн, 4- Липецк 257,5 тыс. тонн, 12- Чита - 27,8 тыс. тонн). Так как основной вклад в загрязнение атмосферы (а это 90% по последним данным) г. Тула вносят промышленные предприятия черной металлургии (с выбросами марганца, аммиака, сероводорода, пятиокиси ванадия), а данная отрасль не относятся к критериям, указанных в пункте 6 Постановления РФ от 05.12.2019 г. № 1600 национального проекта «Чистый воздух», то г. Тула не включена на сегодняшний день в данный проект [1].
При изучении климатических трендов, определяющих ход геоэкологических процессов, применяются методы, основанные на разных принципах. Свою роль играют методы статистической обработки эмпирических данных, которые адаптируются в решаемой задаче. В частности, адаптация может состоять в использовании оптимальной последовательности отдельных процедур. По мнению специалистов, данный подход позволяет устанавливать физически адекватные закономерности изменения климата.
