CC BY
53
3. Вентцель Е.С. Исследование операций. - М.: Советское радио, 1972. - 551 с.
4. Никольский О.К. Основы создания оптимальных систем обеспечения электробезопасности людей: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - М.: ВИЭСХ, 1979. - 45 с.
5. Якобс А.И. Развитие научных основ электробезопасности в сельском хозяйстве // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1977. - № 9. - С. 23-27.
6. Шаматова В.Д. Стохастическая модель сопротивления тела человека // Электробезопасность сельскохозяйственного производства / ВИЭСХ. - М., 1977. - Т. 43. - С. 63-66.
7. Бусленко Н.П., Шрейдер Ю.А. Метод статистических испытаний. - М.: Физиздат, 1961. - 331 с.
8. Коструба С.И., Шаматова В.Д. Законы распределения параметров электробезопасности и методика их определения на ЦВМ / ВИЭСХ. - М., 1977. - С. 73-84.
---------♦'-----------
УДК 633.17:631.53.027.34 О.Г. Толмашова
МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОГО ВЛИЯНИЯ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА КАЧЕСТВО СЕМЯН И КОРМОВ ИЗ ПАЙЗЫ
В статье предложена методика организации системных исследований по эффективности применения метода микроволнового излучения для предпосевной обработки семян мятликовой культуры пай-зы. Рассмотрены частные модели, которые формируют общую модель эффективности по интегральному показателю качества с учетом теплофизических и биометрических данных обследования.
Ключевые слова: моделирование, математические модели, микроволновое излучение, граничные условия, вычислительный эксперимент, семена пайзы.
O.G. Tolmashova
MODELING OF THE MICROWAVE RADIATION COMPLEX INFLUENCE ON THE SEEDS AND FORAGE QUALITY FROM PAYZA
The technique of the system research organization according to the efficiency of the microwave radiation technique application for preseeding seeds processing of payza bluegrass culture is offered in the article. Private models which form the general model of efficiency according to the integrated quality indicator with the thermal, physical and biometric data of research are taken into account.
Key words: modeling, mathematical models, microwave radiation, boundary conditions, computing experiment, payza seeds.
Микроволны - это вид электромагнитной энергии, занимающий по шкале частот положение между радиоволнами и инфракрасным излучением, поэтому ему присущи некоторые свойства своих соседей. Ни тепло, ни радиоволны не наносят ущерба биологическим организмам, следовательно, нет особых причин ожидать этого и от микроволнового излучения [1-4].
Углубленные лабораторные исследования показали, что микроволновое излучение обладает стерилизующим действием в отношении патогенных микроорганизмов. Причина этого эффекта заключается в том, что температура внутри возрастает очень быстро при одновременном диэлектрическом нагреве протеинов микроорганизмов. Происходит так называемый "тепловой удар" микроорганизмов. На рис. 1 показано сравнение стерилизующего воздействия обычного и микроволнового нагрева на микроорганизмы.
Эффект стерилизации при использовании микроволнового излучения в сотни раз выше, чем при обычных методах без использования СВЧ.
Информационно-аналитическая модель метода микроволнового нагрева семян и выбора эффективных режимов по экспозиции и скорости нагрева учитывает экспертную оценку комплексного влияния системы предпосевной обработки мятликовой культуры пайзы на качество семян и кормов из пайзы [5-6].
Степень
Обычный нагрев СВЧ-нагрев
Длительность нагрева, сек Рис. 1. Степень выживания микроорганизмов
На предварительном уровне изучения проблемы предложена методика организации системных исследований по эффективности применения микроволнового метода предпосевной обработки [5; 8-9]. Определены области воздействия температурного поля, которые формируются из принципов структурнофункционального единства, причём предполагается, что температурная функция в этих подобластях непрерывна вплоть до границ, дифференцируема внутри [9-10]. Физическая область, занимаемая в пространстве телом семени, разбивается на четыре подобласти, для которых осуществляется постановка и решение краевых задач теплопроводности при воздействии электромагнитного поля сантиметрового диапазона.
Картина температурного поля зависит от свойств тела зерновки О, определяемых распределениями значений удельной теплоёмкости С _ и плотности 4р ^ этого тела, теплопроводности С- _ и распределения плотности источников, а также от постановки краевых условий, учитывающих интенсивность теплообмена в первой подобласти, теплоизоляцию - во второй, конвективный теплообмен - в третьей, идеальный тепловой контакт - в четвёртой, условие теплопередачи - в пятой подобласти.
Модель микроволнового нагрева тела семени пайзы. Предлагаемая модель микроволнового нагрева тела семени пайзы является системой частных моделей распределения температуры и влияния формы тела с учётом интенсивности теплового взаимодействия с внешней средой С2 :
' С, У, г,і~^=ух- их С, У, у2 ■ их С, V, г, і ^
(1)
где весовые коэффициенты ух,у2 определяются с учётом непрерывности и дифференцированности функции и [5; 10].
Проведём детальное исследование изменения температурного поля и = и С, У, г, ^ в теле семени пайзы, занимающем область П пространства Охуг (рис. 2-3), если С = С С, у, г, г _ — функция, характеризующая удельную теплоемкость тела, со = со С, У, г, ^ - плотность, а р = р4(, у, г, ґ^ - плотность распределения источников тепла внутри области О.
Рис. 2. Тело семени пайзы
Рис. 3. Поверхность контакта
Известно, что независимо от формы области □ и характера взаимодействия рассматриваемого тела
с внешней средой во внутренних точках области О выполняется условие:
— 4рСи (Ну С8гас1 и^-со, Л =
ді
ГЛ Л Л ^
хх ху хг
XXX
ух уу уг
. X X X
у гх гу гг
(2)
где Л - тензор теплопроводности. Уравнение теплопроводности (2) может быть представлено в следующем виде:
. ди . ди . ди
А* -------------+ Ау + К
XX Ху -“>> Х6 -“\
дх ду 02
ду
ди ди ди
д_
дг
„ ди . ди . ди
— + л„, — + л„ —
2х ^ 2у 22
дх ду дг
+ со
(3)
Наиболее часто встречающимися на практике краевыми условиями являются смешанные краевые условия, соответствующие различному характеру взаимодействия рассматриваемого тела О на различных участках его границы <Ю.. Например, смешанными краевыми условиями будут условия, которые соответствуют заданному распределению температуры на участке Ш1 границы и конвективному теплообмену на участке дО,2 \
11 п, — Ф >
Ґ ди
-----упи
кд\ ,
ао, —ф-
(4)
1. Модель распределения температуры ^ состоит из четырёх сопряжённых расчётных схем определения функций температуры для случаев изотропной среды с фиксированными и
управляющими ^12 , при стационарном электромагнитном поле ^13 , а также изменения температуры для внутренних областей ^14 :
их 4[, У, ^ 1 • их 1 С- у, 2, ^ 3" ^12 ’ М12 ^5 ^5 ^13 ’ и13 14 ' и14 ^ У-> О (^)
где весовые коэффициенты Зи, 312, <5,3, Зы определяются с учётом непрерывности и дифференциро-ванности функции и .
1.1. Схема определения температуры для изотропной среды. В этом случае
Л = Л
ґ\ О 0Л О 1 о 0 0 1
(6)
и уравнения (2) и (3) можно переписать соответственно в формах:
— ірСи 3= Лйіу ^гайи3" ^гайи, gгaйЛ^у со,
ді
^ ітСіГ' ЛЬм + ^ дЛ + дп дЛ ^
ді ^ дх дх ду ду дг дг
(7)
(8)
1.2. Схема определения температуры для изотропной среды с управляющими параметрами. Если среда изотропна и р, С и Л являются константами, то уравнение (8) принимает вид:
ди 2 л Г
— = а А и + /\ ді
(9)
где а - ЛЧрС ^ - коэффициент теплопроводности по Максвеллу (коэффициент тепловой диффузии по Кельвину),
/ = <уфС
■>1
(10)
1.3. Схема определения температуры при стационарном электромагнитном поле. Если
Ом
— = 0, то получаем стационарное температурное поле, и уравнение (9) переходит в уравнение Пуассона
А и - -fa
(11)
1.4. Схема определения температуры ^14 для внутренних областей семени при постоянном тензоре коэффициентов теплопроводности. Если компоненты тензора Л являются константами, то уравнение (3) принимает более простой вид:
3 ^ , За 0 д и д и
— %>Си .= 1 —- + 2 —- + Л„ —- + дї дх2 ^ ду2 ді2
А з ^2и л з 2и £ 9
+ + А* їпг + + Лж + % + Л^, ----+ со.
''Ъхду
~Ьхді
''суд.
(12)
После введения таких ортогональных координат % = у, г,ґ г/ = г]4(, у, г, ґ , £ = С С У, О и учитывая что в уравнение (12) не входит смешанные производные [12], получим
д ^ ^ д2и д2и д2и
— » Л —— + Л —у + Л ——
ді д£ дг/ дС,
(13)
Далее перейдя к новым координатам
А
А.
Лі =л
л„
А
лГ
(14)
где Л - некоторая положительная постоянная, уравнение теплопроводности получим в форме
— 1рСи^= Л ді* ^
Ґд2и д2и д2ил
д$ дії д£
■со.
(15)
2. Модель влияния формы тела О,, характера теплового взаимодействия с внешней средой и начального распределения температуры и2 в теле зерновки для граничных условий Дирихле С2\ -> условий Неймана ^22 , условий конвективного теплообмена ^23 , условий идеального теплового контакта С24 условия Стефана-Больцмана и25:
и
і, у, 321-и21 С. у, г, {у д22 ■ и22 С. у,г,іу д2Ъ ■ и2Ъ С у, г, і> д24 • м24 С у, г, (16)
2
где весовые коэффициенты 621, 322, 82Ъ, ё24 определяются с учётом непрерывности и дифференцированное™ функции и2. Начальное условие, как правило, имеет вид
и
і, у, г, О 3= м0 с у,
(17)
где м0 4, у, граспределение температуры в теле в начальный момент времени.
2.1. Схема влияния граничных условий первого рода (условия Дирихле) на распределение температуры и21:
и
XI
(18)
2.2. Схема влияния граничных условий второго рода (условия Неймана) на распределение температуры и22:
ди і
Ч
(19)
где V - направление внутренней (или внешней) нормали к поверхности йЮ; Л - коэффициент теплопроводности среды; q = q4^, у, г, функция теплового потока.
К краевым условиям второго рода приводят задачи нагрева тела О внешними источниками заданной интенсивности (в общем случае зависящей от времени ї). В частности, когда тепловой поток равен нулю q = 0, краевое условие
—I =о
Л \дп ^ ОУ
(20)
называют условием теплоизоляции.
2.3. Схема влияния граничных условий третьего рода (условием конвективного теплообмена на границе тела зерновки) на распределение температуры и :
ди,
(21)
где а - коэффициент теплоотдачи; и - температура внешней среды. Краевое условие третьего рода
соответствует теплообмену тела с окружающей средой по закону Ньютона, в соответствии с которым тепловой поток через границу тела пропорционален разности температур тела и окружающей его внешней среды:
(22)
2.4. Схема влияния граничных условий четвёртого рода (идеальный тепловой контакт между частями тела) на распределение температуры и :
= и.
а£1
. Л
ди1
ду
= я ди2
ду
(23)
где uj - температура в той части тела ^ ., где коэффициент теплопроводности равен Л1 С=1, 2^ а
(/-нормаль к поверхности контакта 12, 12 - поверхность контакта (см. рис. 3).
2.5. Схема влияния граничных условий четвёртого рода (нелинейное граничное условие Стефана-Больцмана теплопередачи при высоких температурах) на распределение температуры и25:
* ди I /4 4 '
^\ва=е^Ч -"ер;
OV
(24)
где <7 - постоянная Стефана-Больцмана; е - степень черноты граничной поверхности, характеризующая её излучательную способность [13]; и - абсолютная температура окружающей среды. Величины С, р и а могут быть разрывными. Но внутри каждой части рассматриваемого объекта С, р и а непрерывны, искомая функция и 4(, у, г, г удовлетворяет соответствующему уравнению теплопроводности, а на границе контакта сред с различными Л. выполняются условия вида (23).
Если по абсолютной величине разность и - и сравнительно мала, то условие (24) можно линеаризовать:
и при и = const рассматривать как условие (21).
Распределение температуры моделируется четырьмя сопряжёнными схемами для вычисления функций температуры для случаев изотропной среды с фиксированными (1Ь и с управляющими ^ при стационарном электромагнитном поле ^13 , а также изменение температуры для внутренних областей ^ При этом при постановке граничных условий Дирихле С21 условий Неймана ^22 условий конвективного теплообмена (l23^> условий идеального теплового контакта С>4^ условий Стефана-Больцмана и25 учтено влияние формы тела Q, характера теплового взаимодействия с внешней средой и начального распределения температуры и2 в теле зерновки (рис. 4-7).
(25)
Рис. 4. Подобласть 1 с изотропной средой
N
1.338
Рис. 5. Подобласть 2 с изотропной средой и управляющими параметрами
Рис. 6. Подобласть 3 со стационарным электромагнитным полем
Рис. 7. Подобласть 4 при постоянных коэффициентах теплопроводности
Таким образом, вычислительный эксперимент с моделью микроволнового воздействия на семена пайзы показывает, что выбором режимов излучения (за счет поляризационных эффектов) можно управлять распределением температуры на поверхности и внутри тела зерновки, а также в её отдельных областях.
Выводы
1. Предложенные математические модели микроволнового воздействия на семена пайзы объясняют изменение температурного поля в теле зерновки за счёт изменения скорости поляризационного эффекта выбором экспозиции и скорости нагрева в качестве управляющих параметров и режимов.
2. Разработанные математические модели обосновывают исследования по формированию интегрального показателя качества семян и кормов пайзы на основе экспертной оценки показателей изменения температурного поля.
Литература
1. Барышев М.Г., Касьянов Г.И. Влияние электромагнитного поля на физико-химические и биологические системы // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2001. - № 9. - С. 17-19.
2. Барышев М.Г., Касьянов Г.И. Воздействие электромагнитных полей на биохимические процессы в семенах растений // Изв. вузов. - 2002. - № 1. - С. 21-23.
3. Блонская А.П., Окулова В.А. К вопросу механизма воздействия электрического поля на семена // Тр. ЧИМЭСХ. - 1977. - № 21. - С. 100-103.
4. Пилюгина В.В., Регуш А.В. Электромагнитная стимуляция в растениеводстве / ВНИИТЭИСХ. - М., 1980.
5. Моисеев Н.И. Математические задачи системного анализа. - М.: Наука, 1981. - 488 с.
6. Чебурахин И.Ф. Синтез дискретных управляющих систем и математическое моделирование. - М.: Физматлит, 2004. - 248 с.
7. Бородовский Г.А., Кондратьев А.С., Чоудери А.Р. Физические основы математического моделирования. - М.: Академия, 200б. - 320 с.
8. Бузин А.Ю. Компьютерный АПЛ-практикум по численным методам и математическому моделированию: экспериментальный учебный курс: учеб. пособие. - М.: РУДН, 2001. - 99 с.
9. Самарский А.А., Михайлов А.П. Математическое моделирование. Идеи. Методы. Примеры. - М.: Физматлит, 2005. - 320 с.
10. Аладьев В.З. Эффективная работа в Мар1е 6/7. - М.: Лаборатория базовых знаний, 2002. - 336 с.
11. Алиферов А.И., Лупи С. Электроконтактный нагрев. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - 224 с.
12. Аладьев В.З. Эффективная работа в Maple 6/7. - М.: Лаборатория базовых знаний, 2002. - 336 с.
---------♦'----------
УДК 621.548(571.51) А.В. Бастрон, Н.Б. Михеева, А.В. Чебодаев
К ВОПРОСУ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК В АПК КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ,
РЕСПУБЛИК ХАКАСИЯ И ТЫВА
В статье рассматриваются особенности применения ветроэнергетических установок на территории Красноярского края, Республик Хакасия и Тыва. Предложены методики определения выработки электрической энергии данным способом, а также ее себестоимости, получаемой от ветроэнергетических установок и дизельгенератора.
Ключевые слова: ветроэнергетическая установка, дизельгенератор, районирование, ветровой кадастр, выработка электрической энергии, себестоимость.
A.V. Bastron, N.B. Mikheyeva, A.V. Chebodayev
TO THE PROBLEM OF THE WIND-DRIVEN ELECTRIC PLANT USE IN AGRARIAN AND INDUSTRIAL COMPLEXES OF KRASNOYARSK REGION, KHAKASSIA AND ТYVA REPUBLICS
Peculiarities of the wind-driven electric plants application on the territory of Krasnoyarsk region, Khakassia and Tyva Republics are considered in the article. Techniques for determination of electric energy production in the given way, and its cost price received from the wind-driven electric plants and diesel generator are offered.
Key words: wind-driven electric plant, diesel generator, division into districts, wind cadastre, electric energy production, cost price.
Целесообразность использования той или иной ветроэнергетической установки (ВЭУ) для энергообеспечения нужд АПК Красноярского края, Республик Хакасия и Тыва (производственных, коммунальнобытовых и прочих) зависит от расчетной мощности объекта энергообеспечения, его электропотребления и себестоимости производимой от ВЭУ электрической энергии (ЭЭ).
В свою очередь, себестоимость ЭЭ напрямую зависит от количества произведенной ВЭУ ЭЭ (выработки ЭЭ ВЭУ). Выработка ЭЭ зависит от обеспеченности ветровыми ресурсами интересующего нас района. Таким образом, на себестоимость ЭЭ непосредственное влияние оказывает повторяемость скоростей ветра.
Ветер представляет собой случайный неуправляемый природный процесс, вызванный взаимодействием Солнца и Земли [1-3]. Характерные особенности ветра, как источника энергии, заключаются в его непостоянстве. Кинетическая энергия ветрового потока изменяется в больших пределах даже в течение относительно небольших промежутков времени, поэтому мощность, развиваемая ветроэнергетической установкой, не является постоянной. Малая плотность воздуха - причина относительно низкой концентрации энергии в потоке, приходящейся на единицу площади его поперечного сечения.
Для повышения эффективности использования энергии ветра в определенном районе важно, чтобы скорости ветра различных градаций были более равномерно распределены на протяжении всего года, а вероятность буревых скоростей ветра была бы минимальной. Использовать буревые ветры обычно невыгодно, так как они повторяются относительно редко. Считается, что использование ВЭУ является экономически выгодно там, где средняя скорость ветра превышает определенную величину (как правило, 5 м/с) [2], а кривая распределения дает наиболее частую повторяемость скоростей в пределах 5-10 м/с.
Ветроэнергетические установки обычно используют ветер в приземном слое на высоте до 50-70 м от поверхности Земли, поэтому наибольший интерес представляют характеристики движения воздушных потоков именно в этом слое. Важнейшей характеристикой, определяющей энергетическую ценность ветра, как отмечалось выше, является его скорость. Для определения скорости необходимо использовать данные ветроэнергетического кадастра [2].
Ветроэнергетический кадастр представляет собой совокупность аэрологических и энергетических характеристик ветра, позволяющих выявить его энергетическую ценность и определить возможные режимы работы ВЭУ [1-2].
