Научная статья на тему 'Обучение студентов-теплоэнергетиков основам математического моделирования процессов горения и теплообмена в ТПУ'

Обучение студентов-теплоэнергетиков основам математического моделирования процессов горения и теплообмена в ТПУ Текст научной статьи по специальности «Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук»

CC BY
37
21
Поделиться
Ключевые слова
котлостроение / реакторостроение / математическое моделирование / горение / теплообмен / численные методики / студенты-теплоэнергетики / труды учёных ТПУ / электронный ресурс

Аннотация научной статьи по общим и комплексным проблемам естественных и точных наук, автор научной работы — Старченко А. В., Иванова Ирина Александровна

Представлен опыт обучения по дисциплине "Математическое моделирование процессов горения и теплообмена" специальности 10.13.00 "Котлои реакторостроение" в Томском политехническом университете.

Похожие темы научных работ по общим и комплексным проблемам естественных и точных наук , автор научной работы — Старченко А. В., Иванова Ирина Александровна,

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Обучение студентов-теплоэнергетиков основам математического моделирования процессов горения и теплообмена в ТПУ»

О повышении эффективности освоения методов автоматизации инженерных расчетов в промышленной

теплоэнергетике ___

19. Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. -Томск: МП «РАСКО», 1991.

20. Копченова Н.В., Марон И.А. Вычислительная математика в примерах и задачах. - М.: Наука, 1972.

21. Ривкин С.Л., Кременевская Е.А. Уравнения состояния воды и водяного пара для машинных расчетов процессов и оборудования электростанций //Теплоэнергетика, 1977, №3.

22. Тихогшав В.Ю., Тихоплав Т.С. Универсальная аппроксимация таблиц Ривкина //Изв. вузов: Энергетика, 1991, №9.

УДК 378.1:519.001.57

ОБУЧЕНИЕ СТУДЕНТОВ-ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКОВ ОСНОВАМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ И

ТЕПЛООБМЕНА В ТПУ

А.В. Старченко *, И.А. Иванова **

- Томский государственный университет, г. Томск

E-mail: starchfectc.tsu.ru

- Томский политехнический университет, г. Томск

В настоящее время математическое моделирование является третьим способом познания реальности и наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями играет большую роль на современном этапе научно-технического прогресса и построения информационного общества. Этот способ используется во многих отраслях современной науки, в том числе и теплоэнергетике. Замена физического объекта или явления его математической моделью позволяет, опираясь на мощь современной вычислительной техники, подробно и глубоко изучать их свойства. Грамотно поставленная математическая задача дает возможность анализировать влияние отдельных факторов, выявлять наиболее существенные из них для данного процесса и в определенной степени прогнозировать его течение. Дисциплина «Математическое моделирование процессов горения и теплообмена» относится к циклу специальных дисциплин учебного плана специальности 10.13.00 «Котло - и реакторостроение», преподается в 7 семестре как обязательная дисциплина и обеспечивает соответствие Федеральным требованиям Государственного образовательного стандарта по специальности.

Цель дисциплины - приобретение знаний о подходах и методах математического моделирования процессов, происходящих в парогенерирующих аппаратах, умение численно с использованием компьютера решать задачи, возникающие при проектировании парогенераторов, а также приобретение навыков применения численных методов и графических пакетов при обработке результатов исследований процессов и объектов энергетики. Лекционные занятия предусматривают усвоение теоретических подходов математического моделирования задач теплообмена и горения, возникающих перед конструктором парогенерирующих устройств, когда студенты уже знакомы с

A.B. Старченко, И.А. Иванова

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

основами физики, термодинамики, вопросами линейной алгебры, дифференциального и интегрального исчисления, элементами теории математической физики и теории алгоритмов в дискретной математике. Кроме того, для изучения данной дисциплины необходимо усвоение курса, в котором даются физические и математические модели способов переноса тепла. Особое внимание уделяется выработке, обоснованию и применению необходимых предположений и упрощений в реальных, достаточно сложных по своей начальной постановке задачах, которые позволяют свести их к простому решению. Задачи теплопроводности решаются, как аналитически, так и численными методами, с ориентацией студентов на самостоятельное проведение расчетов, для чего необходимы знания не только в предметной области, включая понимание физики процесса, законов теплообмена и горения, но и достаточно свободное владение приемами работы на компьютере, понимание принципов его действия, умение обращаться с пакетами прикладных программ. Навыки практической численной реализации построения конкретных математических моделей тепломассообмена, изучения способов графического представления результатов расчетов студенты приобретают на лабораторных занятиях. В результате изучения курса студенты должны уметь самостоятельно формулировать математическую постановку задач исследования процессов теплообмена и горения при проектировании парогенерирующих аппаратов, выбрать метод численного интегрирования системы уравнений математической модели, подготовить на ЭВМ вычислительную программу, произвести ее отладку и тестирование для доказательства адекватности модели, а также работать в среде современных пакетов прикладных программ, обеспечивающих графическую реализацию пространственных топочных процессов.

Обучение основам математического моделирования начинается с преподавания способов построения математических моделей при использовании фундаментальных законов природы, вариационных принципов, применении аналогий и иерархического подхода к их получению, с изучения этапов их построения. Простейшей математической моделью поведения объектов изучения является обработка экспериментальных данных с помощью построения функциональной зависимости по методу наименьших квадратов при использовании линейной, квадратичной и степенной зависимостей. На данном этапе студенты проходят адаптацию к работе на персональных компьютерах (операционная система MS-DOS, WINDOWS, файловая система Norton Commander, интегрированная среда Turbo-Pascal) и осваивают графический пакет GRAPHER для наглядного представления результатов расчетов.

Далее студенты переходят к освоению принципов и закономерностей теплопередачи - процессов теплопроводности, конвекции и излучения. Дифференциальное уравнение теплопроводности выводится для общего случая в декартовой, цилиндрической и сферической системах координат с постановкой геометрических, начальных и граничных условий (условий однозначности). Студентам в индивидуальном задании предлагается по словесному описанию сформулировать математическую модель задачи нестационарной теплопроводности.

Обучение студентов-теплоэнергетиков основам математического моделирования процессов горения и теплообмена в ТПУ

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ТРАЕКТОРИЙ

* СНА I Е-», Томск-94

ль. вое сече кие топке.)

10 12 У

Горизонтальное сечение топки

0 2 4 6 У

г(сек) = 2.86 Вр(мкм)« 51. Тр(С) = 924. №р(м,'с)= 10.9 X(м)=23.71 У(ы)-12.50 2(м) = 6.68

Ог> -Возврат к выбранной горелке -Выбор новой горелки -Возвра.т в главное меню

ОК.

Рис. 1

б _

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

4

2 _ 0

Рис.2.

При этом особое внимание уделяется численным методам их решения, в частности, методу конечных разностей для одномерной нестационарной задачи теплопроводности по явным и неявным схемам интегрирования дифференциального уравнения в частных производных. Получение дискретного аналога исходной дифференциальной задачи требует знаний построения разностных сеток и известных методов решения систем линейных уравнений.

Затем студенты переходят к моделированию более сложных задач, стоящих перед специалистом по организации процессов сжигания топлива: обеспечению высокой эффективности горения, снижению себестоимости, регулированию температуры и химического состава в топке котла. На первом этапе исследуется движение горящей угольной частицы, дается математическая формулировка законов сохранения массы, импульса и энергии в рамках лагранжева подхода для описания горения взвешенных частиц твердого топлива. Алгоритм решения поставленной задачи реализуется с привлечением численного метода Рунге-Кутта четвертого порядка для решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений.

0

4

А.В. Старченко, И.А. Иванова

На заключительном этапе проводится анализ аэротермохимических процессов горения и теплообмена в пылеугольных топках паровых котлов в более полной постановке на базе пакета прикладных программ «CHAIF» (Computation of Heattransfer and Aerodynamics in Inner Flows), разработанного в Томском государственном университете. Данный пакет реализует математическую модель горения пылеугольного топлива в топочной камере котлоагрегата в пространственной постановке на ЭВМ.

Изолинии температуры в еечвнии топки (С)

• СНАIF »

ШКАЛА

*

•Яр

"UP" - перемещение вверх по оси» "DOWN" - вниз» "ОК" - возврат

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Рис.3.

Необходимость привлечения такого подхода для анализа топочных процессов обусловлена ограниченностью применения нормативных методик расчета при исследовании нетрадиционных способов сжигания природных топлив с пониженным выходом вредных окислов азота, например, стадийного сжигания топлива. Студентам предоставляется возможность видеть на экране дисплея компьютера результаты расчетов - траекторию движения частиц (рис. 1), векторные поля их скорости (рис. 2), поля температур (рис. 3), изолинии концентрации кислорода в различных сечениях трехмерной топочной камеры, которая изображается на экране с указанием расположения горелок и окон подачи воздуха. Можно изучать движение дымовых газов, определять положение и интенсивность вихревых структур в топке, анализировать взаимодействие топливовоздушных струй между собой и с теплообменными экранами и т. д. Вращая объект исследования вправо, влево, вверх и вниз, можно расположить его под наивыгоднейшим углом зрения и проводить визуальный анализ процессов, происходящих в топочных камерах промышленных котлоагрегатов. Знание основ математического моделирования способствует расширению научного кругозора и повышает образовательный уровень будущих специалистов-энергетиков.