Математическое моделирование с каждым годом находит все более широкое применение в инженерной практике: при проведении промышленных экспериментов, проектировании и конструировании технических систем, управлении производством и его планировании. Этим объясняется особая актуальность изучение студентами методов математического моделирования и приобретение навыков их применения.
Справедливо считается, что искусством построения математических моделей можно овладеть только в результате собственной практики, поэтому важное место при изучении дисциплины «Моделирование, оптимизация и управление теплотехническими системами» занимает курсовое проектирование, целью которого является приобретение студентами практических навыков в составлении математических моделей теплотехнических объектов, их программной реализации, проведение численного исследования, параметрической и структурной оптимизации. Актуальность дисциплины определяется повышением сложности объектов энергетики и промышленности, необходимостью применения системного подхода и методов моделирования при конструировании, проектировании и эксплуатации указанных объектов. Реализация матмодели на ПЭВМ позволяет решать целый ряд задач:
— исследование характера взаимосвязи параметров установок и анализ их влияния на основные показатели или критерии эффективности;
— исследование влияния внешних условий строительства и эксплуатации установок на соотношение их параметров и на основные показатели и критерии эффективности;
— численная оценка дополнительных материальных вложений в случае отказа по каким-либо причинам от оптимальных параметров или изменения условий эксплуатации;
— осуществление комплексной конструктивной и параметрической оптимизации.
Кроме того математическое моделирование позволяет выполнять в едином итеративном процессе расчёт технологической схемы установки и технические расчёты её оборудования. При этом достигается уточнение тепловых и материальных балансов, гидравлических и аэродинамических потерь, тепловых и прочностных параметров, а также термодинамических и технико-экономических показателей.
Одним из методов построения матмодели является аналитический. Его преимуществом является возможность получения математического описания исследуемого объекта в широком диапазоне изменения его параметров. Методика построения матмодели включает в себя следующие процедуры:
1) теоретический анализ процессов, протекающих в объекте;
2) выбор тех процессов, которые наиболее существенно влияют на функционирование объекта;
3)определение параметров характеризующих каждый из процессов, выбранных в предыдущем пункте, описание статики и динамики этих процессов;
4) построение матмодели в целом для объекта, исходя из описания выделенных процессов.
Аналитические методы построения наиболее трудно поддаются алгоритмизации и практически в каждом случае требуется индивидуальный подход. В основу построения матмодели закладываются наиболее общее законы природы (законы сохранения материи и движения), при необходимости они дополняются рядом принципов и законов, установленных опытным путем. Применение аналитических методов для построения матмодели осложняются рядом факторов, среди которых следует отметить недостаточность изученности многих сложных физических и химических процессов, отсюда недостаточной информации об этих процессах, а так же сложным видом самой аналитической модели, отсюда неудобством ее применения на практике.
Поэтому широко используются экспериментальные методы построения матмодели, хотя они тоже имеют ряд недостатков, а именно они носят локальный характер, т. е. справедливы для небольшой зоны изменения параметров, и трудно модели, разработанные для конкретной установки переносить на её аналоги. Сам процесс построения модели эмпирическим методом можно разделить на три этапа:
1) планирование эксперимента;
2) реализация его на объекте исследования;
3) обработка экспериментальных данных с целью получения модели.
Также применяется комбинированные методы построения матмодели.
Основными задачами курсового проекта являются:
— освоение методов анализа теплотехнической технологии;
— приобретение навыков синтеза и анализа технологической схемы теплотехнической системы;
— приобретение навыков построения математической модели теплотехнической системы на макроуровне;
-приобретение навыков проведения численного эксперимента и параметрической оптимизации теплотехнической системы.
Особое внимание в курсовом проекте уделяется более глубокому изучению методов моделирования технических систем на макроуровне и практике их применения для анализа и оптимизации теплотехнических объектов. Учебный материал, предлагаемый при выполнении курсового проекта, сознательно сконцентрирован на моделировании технических систем. Важно взглянуть на знакомый уже по специальным дисциплинам технический объект именно с точки зрения представления его как системы, т. е. совокупности взаимосвязанных элементов, обладающей свойствами, отличными от свойств отельных элементов. Это позволяет на уже известные вроде бы вещи посмотреть с другой стороны, увидеть внутреннее взаимодействие элементов, понять смысл и внутреннюю логику инженерных методик расчета различных теплотехнических установок, наконец, самим научиться составлять алгоритмы подобных расчетов. С другой стороны, это позволит молодому специалисту в будущем легче разбираться в логике функционирования в новых и еще не известных для него технических объектов.
