Научный архив: статьи

В данной работе представлена численная модель распространения ударной волны из однородного газа в газовзвесь - взвесь дисперсных частиц в газе. Данная тематика является актуальной в связи с различными промышленными приложениями. Несущая среда описывается как вязкий сжимаемый теплопроводный газ. Математическая модель реализует континуальную методику моделирования динамики неоднородных сред - для каждой из компонент смеси решалась полная гидродинамическая система уравнений движения, учитывался обмен импульсом и теплообмен между компонентами смеси. Система уравнений динамики несущей среды и дисперсной фазы включает в себя уравнения непрерывности плотности, уравнения сохранения пространственных составляющих импульса несущей и дисперсной фазы, уравнения сохранения энергии. Для дисперсной фазы вводится понятие средней плотности - произведения объемного содержания на физическую плотность материала. Объемное содержание является функцией временной и пространственных переменных, физическая плотность материла является постоянной величиной. Уравнения математической модели решались явным конечно-разностным методом Мак-Кормака. Для подавление численных осцилляций применялась схема нелинейной коррекции. Рассматривались два типа граничных условий в канале - однородные граничные условия Неймана на боковых поверхностях канала и однородные граничные условия Дирихле. Рассматривалась газовзвесь с мелкодисперсными частицами и большим объемным содержанием дисперсной фазы, таким образом параметры газовзвеси таковы, что дисперсная фаза оказывает существенное влияние на динамику несущей среды. Выявлено, что в случае однородных граничных условий Неймана возмущение по газовзвеси распространяется быстрее, двухмерное распределение модуля скорости несущей среды является равномерным. При задании однородных граничных условий Дирихле модуль скорости имеет параболический профиль и большее значение, возмущение по среде распространяется с меньшей скоростью, чем возмущение распространяющееся по каналу с однородными граничными условиями Неймана. Полученные результаты могут быть использованы при моделировании течений газовзвсей.

Решается задача выбора оптимальных параметров процесса вулканизации, обеспечивающая достижения требуемого качества резины. Обзор аналогичных задач показал, что решения реализуются на программной продукции зарубежного происхождения. Основная цель данного исследования - разработка эффективного отечественного программного продукта для расчета температурно-временного режима вулканизации многослойных изделий. Проведён системный анализ процесса, который показал, что неправильно подобранные параметры температуры и времени могут привести к неравномерной вулканизации слоев, тем самым к ухудшению свойств изделия или увеличению затрат на производство. В работе приведено модельное исследование процессов вулканизации, обеспечивающее завершенность процесса в центре многослойного изделия. Основными модельными компонентами являлись уравнения теплопроводности, кинетические уравнения, для которых выполнялась оценка параметров: предэкпоненциальных коэффициентов и энергии активации. Адекватность полученных результатов подтверждается численным экспериментом. На основе результатов моделирования разработано программное обеспечение для выбора управляющий параметров процесса. Архитектурные особенности программы заключаются в реализации модульного подхода. Основные модули позволяют проводить идентификацию параметров математических моделей и проводить имитационное моделирование процесса. Для реализации модуля определения кинетических параметров модели использовался язык программирования Python. Модуль реализован в виде пользовательского интерфейса, который обеспечивает взаимодействие исследователя с системой. Язык Python является кроссплатформенным и обладает большим набором библиотек для решения различных задач математического моделирования промышленных процессов. Модуль для расчета температуры и степени вулканизации для каждого слоя реализует алгоритмы, учитывающие динамику внутри изделия и кинетику химических реакций, связанных с вулканизацией. В результате моделирования, получены рекомендованные управляющие параметры процесса, которые способствуют снижению времени и ресурсов, затрачиваемых на процесс производства.

Проблема и цель. Цель работы проведение численных исследований вибрационных колебаний ленты транспортера при перемещении картофеля с комьями плодородного слоя. Задачами исследования являются: разработка математического алгоритма движения ленты транспортера, создание программного обеспечения для проведения компьютерных экспериментов и анализ полученных данных.

Методология. Базируется на методах численного моделирования вибрационных процессов движения ленты транспортера при перемещении картофеля. В качестве объекта исследования был выбран транспортер и его работа при перемещении груза с изменяющейся массой. При численном решении дифференциального уравнения затухающих колебаний второго порядка был применен явный метод Рунге-Кутта четвертого порядка. Графическая обработка результатов моделирования осуществлялась с помощью программы MathCad.

Результаты. В результате численного исследования было установлено, что на участке между валиками транспортера лента под воздействием переносимого неравномерно распределенного веса совершает колебания только с тремя полуволнами. Одна положительная полуволна и две отрицательные. Максимальная частота колебаний ленты при грузе 90-120 кг/м2, массе пруткового полотна 20 кг/м2 и расстоянии между валиками 1,242,1 м не может превышать 10 Гц.

Заключение Результаты исследования позволили расширить представления о работе транспортера при переносе клубней картофеля, определить возможные формы транспортировочной ленты при переносе груза с изменяющейся массой и определить диапазон частот, в котором возможны резонансные явления.

Проблема и цель. Целью настоящего исследования было изучение посредством численного моделирования с последующим математическим анализом работы водовода овоидального профиля, а именно перемещения основания водовода при расположении его в однородном грунте большим радиусом вверх или вниз для повышения эффективности работы.

Методология. Исследование сложного процесса осуществлено в два этапа. На первом этапе был осуществлен эксперимент посредством численного моделирования с использованием современного сертифицированного программного продукта (Midas gTx NX), позволившего замоделировать процесс и получить перемещения в основании водовода и точки экстремумов при перемещении, в результате чего получена база данных в виде матрицы. На втором этапе полученный массив экспериментальных данных по перемещениям, зависящий от выделенных значимых факторов, был подвергнут цифровому анализу.

Результаты. В результате исследования, направленного на повышение эффективности водопроводящих сооружений, был осуществлен анализ полученных математических моделей по исследуемому процессу, который позволил констатировать, что перемещение основания водовода овоидального поперечного сечения Sвод (м) с большим радиусом внизу изменяется от 0,047 и до 0,053 м, тогда как перемещение основания водовода овоидального поперечного сечения Sвод м с большим радиусом вверху изменяется от 0,049 и до 0,056 м.

Заключение. Результаты исследования позволили расширить спектр основных оцениваемых показателей. Было установлено, что при постоянной высоте грунта над водоводом в 0,5; 0,85 и 1,2 м связь между перемещением основания водовода Sвод и усилием на грунт от оси автомобиля линейная, и во всем диапазоне изменения усилий на грунт от оси автомобиля от 5 и до 40 т величина перемещения основания возрастает от 0,0462 м и до 0,0536 м при расположении овоида большого радиуса вниз и от 0,0484 м и до 0,0566 м при расположении овоида большим радиусом вверх.

Проблема и цель. Разработка доступных энергоэффективных систем, обеспечивающих качественную контролируемую сушку сельскохозяйственной продукции для улучшения качества ее послеуборочной обработки, является актуальной задачей. Целью данного исследования выбран анализ возможности определения оптимальной конструкции индукционного нагревателя для воздуха на основе его виртуального моделирования.

Методология. Для моделирования тепломассопереноса в потоке воздуха, обтекающего индукционно нагреваемые электропроводящие ферромагнитные детали конструкции, применялся программный комплекс COMSOL Multiphysics, позволяющий решать системы дифференциальных уравнений в частных производных методом конечных элементов. Для анализа использовалась цилиндрически симметричная модель в виде проточной трубы, внутри которой размещены две синфазно включенные плоские индукционные катушки и дополнительные ферромагнитные нагреватели.

Результаты. Проведен анализ влияния ферромагнитных элементов конструкции на распределение магнитного поля в рабочей области устройства. Исследовано распределение температуры в рабочей области индукционного нагревателя для объемных расходов воздуха от 75 л/мин до 1200 л/мин и подводимой к индуктору мощности от 0,5 кВт до 2 кВт. Показано, что оптимальный режим тепломассопереноса с максимальной эффективностью нагрева воздуха для данной модели соответствует диапазону расхода воздуха от 300 л/мин до 400 л/мин.

Заключение. Результаты исследования позволили сделать вывод о целесообразности использования численного моделирования виртуальных установок для индукционного нагрева воздуха при поиске оптимальных конструкций и режимов разрабатываемых устройств.

Исследование направлено на определение влияния сезонного льда и снега и их геометрических параметров на эффективность георадиолокационного зондирования водных объектов суши в зимний период. Рассмотрены ограничивающие факторы льда и снега в контексте законов распространения электромагнитных волн в средах. Основной целью данной работы является оценка влияния толщины льда и снега на распространение георадарного сигнала с частотой 150 МГц. Натурные георадарные измерения выполнены на участке реки Лена по двум профилям с учетом динамики наращивания льда и снега в течение зимы и сравнивались с результатами численного моделирования в программе gprMax. Аналитический расчет подтвердил, что доля энергии георадарного сигнала с центральной частотой 150 МГц, достигающей границы донных отложений, в значительной степени зависит от отражения на границе лед-вода и затухания в самом водном слое. Сравнение натурных и численных данных показало достаточно высокое соответствие формы и времени прихода сигналов. В результате верификации численной модели и использования ее при различных геометрических параметрах льда и снега установлено, что георадарная антенна с центральной частотой 150 МГц может обеспечивать результаты, сопоставимые с измерениями по открытой воде при толщине до 40 см. Количественное сравнение натурных и расчётных данных выявило расхождения, начинающиеся при толщине льда более 80 см. По натурным данным наблюдено, что снежный покров выступает в роли естественного фильтра, ослабляющего помехи. Результаты исследования показали, что для достижения максимальной эффективности зимних исследований рекомендуется проведение полевых работ с учетом оптимально выбранных параметров антенны к толщине льда и снега.

Вопросы, связанные с эксплуатацией искусственных сооружений (ИССО) в северной строительно-климатической зоне, которая охватывает 40 % территории Российской Федерации и 80 % территории Дальнего Востока России, являются важными во всех аспектах. При этом речь идет не только о существующих искусственных сооружениях транспортной инфраструктуры, но и о строящихся, а также об объектах, строительство которых планируется. К примеру, на территории, находящейся в ведении Дальневосточной железной дороги, на 1 км пути приходится один объект, относящийся к малым ИССО; данные объекты расположены в криолитозоне, что накладывает дополнительные требования по контролю за техническим состоянием и проведению дополнительных мероприятий, направленных на предотвращение перехода конструкций объекта в аварийное состояние. Существующие на сегодняшний день способы мониторинга технического состояния позволяют контролировать и с высокой степенью достоверности прогнозировать возможные условия, причины и последствия возникновения инцидентов, тем не менее, с учетом роста возможности цифрового моделирования, визуализации и прогнозирования, целесообразно использовать все имеющиеся возможности для формирования информационных моделей объектов ИССО для наиболее эффективного сохранения их работоспособного состояния.

В статье рассматривается пример численного моделирования основания и фундамента ИССО, приведено решение численной задачи по распределению тепловых полей, выполнено решение численной задачи с прогнозом изменения во временной перспективе. Целью настоящего исследования являлась оценка возможных негативных событий на различных этапах жизненного цикла ИССО и построение цифровой модели для прогноза безопасной эксплуатации.

В результате получена цифровая модель фундаментов, которая может быть использована для решения различных задач, приведено обоснование целесообразности построения информационных моделей сооружений транспортной инфраструктуры.

Рассматривается вопрос исследования закономерностей движения облака выхлопных газов в сквозных выработках, проветриваемых за счет общешахтной депрессии. Существующие требования Федеральных норм и правил «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых» регламентируют предельно-допустимые концентрации ядовитых газов, которые могут содержаться в рудничном воздухе. С этой целью выполняются измерения концентраций оксида углерода и оксидов азота, содержащихся в неразбавленных пробах выхлопных газов лабораторными методами специализированными лабораториями. Однако, получить данные о величине газовыделений от техники с двигателями внутреннего сгорания можно также экспресс-методами в условиях горных выработок, проветриваемых как за счет общешахтной депрессии, так и вентиляторами местного проветривания. Порядок измерений ядовитых газов регламентируются соответствующими методиками измерений, но вопрос о том какое расстояние необходимо отступать от техники для определения места замера не регламентирован. Данные исследования направлены на определение скорости процесса осреднения концентрации ядовитых газов в условиях сквозных выработок, проветриваемых за счет общешахтной депрессии, с целью определения необходимого расстояния от техники с применением методов численного трехмерного моделирования. В рамках данной работы проведены экспериментальные распределения концентрации диоксида азота, образующегося при работе вспомогательной техники с двигателем внутреннего сгорания типа Крот. Исследования выполнены на одном из рудников ведущих отработку Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей в условиях сквозной горной выработки, проветриваемой за счет общешахтной депрессии свежей струей воздуха.

Целью исследования является оптимизация с помощью математического моделирования геометрии входного сопла в трубе Леонтьева для повышения эффективности газодинамической стратификации в условиях отсутствия внешнего теплообмена. В отличие от существующих подходов, в которых преимущественно рассматриваются сопла Лаваля для ракетных и холодногазовых систем, в данном исследовании впервые анализируются колоколообразные и кольцевые конфигурации сопел в связке с процессом энергоразделения в трубе Леонтьева. Численное моделирование выполнено в программном комплексе ANSYS Fluent с использованием уравнений Навье-Стокса и турбулентной модели Shear Stress Transport. Результаты показывают, что колоколообразное сопло обеспечивает более стабильный сверхзвуковой поток и снижает псевдошоковые потери, а кольцевое сопло, напротив, формирует высокую интенсивность локального перераспределения энергии, сопровождающуюся ростом турбулентных потерь. Полученные результаты подчеркивают важность выбора оптимальной конфигурации сопла для достижения максимальной эффективности работы теплообменных устройств. В заключение сделан вывод о предпочтительности использования колоколообразных сопел в системах, требующих стабильного перераспределения энергии, а также обозначены возможные направления дальнейших исследований. Данные результаты могут быть применены при проектировании систем теплообмена для газотранспортных и энергетических установок.

Статья посвящена изучению влияния электромагнитного поля индуктора на образцы металла, расплавляемые в нем во взвешенном состоянии. В работе описан метод определения численных значений коэффициента неоднородности электромагнитного поля в зависимости от положения расплава в индукторе при плавании во взвешенном состоянии. Приведено описание параметров численной модели напряженности электромагнитного поля конического индуктора. В работе представлены полученные результаты численных экспериментов и установленные по ним зависимости коэффициента неоднородности электромагнитного поля. Анализ показал, что распределение электромагнитного поля в индукторе в существенной мере зависит от геометрических параметров образца и его положения. В ходе экспериментов с численной моделью было установлено, что при увеличении радиуса образца область устойчивой левитации расплава смещается вниз к основанию индуктора, что связано с перераспределением напряженности магнитного поля. Полученные зависимости позволяют более точно прогнозировать условия устойчивой левитации металла. Разработанная численная модель, основанная на методе конечных элементов, может быть использована для проектирования систем контроля и управления процессом плавки во взвешенном состоянии. Результаты исследования могут найти применение в технологиях получения высокочистых металлов.

Численно моделируются процессы формирования и распространения плоских волн гибридной детонации в смесях водород-кислород-аргон с частицами алюминия размером от 3.5 до 13 мкм различной загрузки. Используется физико-математическая модель приведённой кинетики горения водорода и горения алюминия с учётом образования твёрдого оксида и газообразных субокислов. Установлено стабилизирующее влияние частиц алюминия на течение, увеличение скорости детонации и пиковых давлений и температур. На промежуточной стадии формируются временные двухфронтовые конфигурации. По мере распространения фронты сближаются, структуры преобразуются в однофронтовые. Проанализированы установившиеся структуры Чепмена - Жуге и их отличия от структур газовой детонации.

Представлена физико-математическая модель гибридной детонации смеси водород - кислород - аргон - частицы алюминия. С помощью данной модели исследовано влияние частиц алюмниия на процесс распространения детонации в канале с расширением. Для ускорения получения результатов численная модель была распараллелена с помощью библиотек Open MP. В результате установлено, что на режим распространения гибридной детонации влияет как загрузка, так и дисперсность используемых частиц. В целом гибридная смесь является более устойчивой к изменению геометрии заполняемой области.