Тема: Введение. Компьютерные технологии в моделировании теплоэнергетических систем, процессов и установок. Модели и виды моделирования.

Лекция 1

План: Введение. Цели и задачи курса. Политика курса. Состояние и перспективы использования компьютерных технологий в моделировании теплоэнергетических систем, процессов и установок. Классификация моделей и видов моделирования.

Курс «Компьютерные технологии в теплоэнергетических расчетах» является дисциплиной по выбору для студентов бакалавриата и включен в учебные планы в качестве базовой дисциплины.

Цель курса – формирование знаний, умений и навыков применения компьютерных технологий для расчета объектов теплоэнергетики и теплотехнологии.

Задачи курса: овладение элементами численных методов; приемами алгоритмизации; закрепление навыков, приобретенных в курсе «Информатика», использования языков программирования; проведение вычислительного эксперимента; использование компьютерных технологий и пакетов прикладных программ для исследования процессов, установок и систем теплоэнергетики и теплотехнологии.

Политика курса дана в силлабусе.

Дисциплина «Компьютерные технологии в теплоэнергетических расчетах» базируется на знаниях и умениях, приобретенных студентами при изучении курсов «Математика», «Информатика», «Физика», «Химия», «Материаловедение», «Техническая термодинамика», «Механика жидкости и газа», «Тепломассообмен». Знания, умения и навыки, полученные студентами, используются при изучении специальных дисциплин, в частности, курса «Методы моделирования и оптимизации теплоэнергетических и теплотехнологических процессов и установок», выполнении курсовых, дипломной и научно-исследовательских работ.

В результате изучения дисциплины бакалавры должны:

- иметь представлениео возможностях компьютерных технологий при решении прикладных задач теплоэнергетики и теплотехники;

- владеть:

- способами алгоритмизации и программирования, хранения, обработки и представления информации;

- методами:

- интерполирования функций;

- численного интегрирования;

- решения трансцендентных уравнений, систем алгебраических уравнений, обыкновенных дифференциальных уравнений;

- решения задач оптимизации;

- решения задач стационарной и нестационарной теплопроводности, конвективного теплообмена и т.д.;

- уметь:

- выбирать эффективный численный метод для решения конкретной задачи, оценивать его точность и надежность;

- использовать:

- языки высокого уровня для составления программ расчета;

- текстовые и графические редакторы, мультимедийные средства и компьютерную сеть;

- готовые пакеты прикладных программ для выполнения теплоэнергетических расчетов;

- автоматизированные экзаменационно – обучающие компьютерные системы для самообучения и самоконтроля;

- разрабатывать и использовать информационно-справочные системы и базы данных для обеспечения моделирования теплоэнергетических объектов.

- быть компетентным в выборе:

- численных методов и их программного обеспечения для решения профессиональных задач;

- средств их компьютерной реализации.

Для современного этапа развития теплоэнергетики характерны две тенденции. Первая - увеличение разнообразия условий функционирования теплоэнергетических установок, вызванное расширением диапазона видов, качества и стоимости сжигаемого топлива, типов применяемых систем охлаждения и режимов использования. Вторая – увеличение числа типов и модификаций, используемых и разрабатываемых теплоэнергетических установок, что связано с развитием атомных энергоустановок различных типов, созданием высокоманевренных модификаций паротурбинных, газотурбинных и парогазовых установок.

Эти тенденции приводят к возрастанию значимости технико-экономических исследований по определению оптимальных значений параметров, рационального вида технологической схемы и профилей оборудования энергоустановок различных типов. В настоящее время решение таких задач немыслимо без широкого использования компьютерных технологий и методов моделирования.

Специалист в области теплоэнергетики должен иметь достаточную подготовку в области информационных технологий - использовать программные средства общего пользования: Microsoft Office, Corel Draw, Adobe Photoshop и т.д., специализированные программные средства: AutoCAD, MathCAD, Mathlab, уметь работать в сети, с электронной почтой, в Интернете, знать языки высокого уровня, составлять алгоритмы и программы для решения профессиональных задач.

Трудно назвать отрасль знаний, указать сферы человеческой деятельности, где бы ни применялись и куда бы ни внедрялись в настоящее время методы моделирования.

Использование методов моделирования обусловлено:

- общей тенденцией расширения и углубления исследования процессов в реальном физическом мире;

- длительностью ряда процессов (например, экологических);

- практической невозможностью получать необходимую информацию путем исследования объекта-оригинала (микро- и макрообъекты);

- неполнотой данных о реальных процессах и высокой стоимостью исследований объекта-оригинала, когда с экономических позиций наиболее приемлемо перенести их на объект-модель;

- наличием критических режимов функционирования объекта, когда исследования в некоторых областях изменения экзогенных параметров являются попросту опасными, а результаты исследования не поддаются прогнозу;

- отсутствием условий, а иногда и недостаточной квалификацией персонала для исследования объекта-оригинала;

- необходимостью большого числа экспериментов;

- уникальностью объекта исследования;

- отсутствием объекта-оригинала и т.д.

Моделирование – метод исследования объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих предметов и явлений (инженерных устройств, физико-химических процессов) и конструируемых объектов для определения либо улучшения их характеристик, рационализации способов их построения, управления ими и т.п.

Модель – аналог (схема, структура, знаковая система) определенного фрагмента природной или социальной реальности – оригинала модели. Такой аналог служит для: хранения и расширения знаний об оригинале, конструирования оригинала, преобразования или управления им.

Формы моделирования разнообразны и зависят от используемых моделей и сферы применения моделирования.

Предметным называется моделирование, в ходе которого исследование ведется на модели, воспроизводящей определенные геометрические, физические, динамические либо функциональные характеристики объекта моделирования – оригинала. К предметному относится аналоговое моделирование, когда оригинал и модель описываются едиными математическими соотношениями.

При знаковом моделировании моделями служат чертежи, схемы, формулы.

Важнейшим видом знакового моделирования является математическое моделирование.

Моделирование применяется вместе с другими общенаучными методами исследования: экспериментом, абстрагированием, идеализацией и т.д.

Модели и виды моделирования можно разделить на три группы:

- первая – определяется характером функционирования объекта;

- вторая – средствами моделирования;

- третья (относится к математическим моделям) – типом математического описания.

Рисунок 1.1 - Классификация видов моделирования

Поскольку все процессы могут протекать при наличии или отсутствии случайных воздействий, их моделирование носит детерминированный или стохастическийхарактер. Динамическое илистатическое моделирование определяется стационарностью и нестационарностью процессов в исследуемом объекте. Периодичность функционирования объекта-оригинала отражается дискретным, дискретно-непрерывными непрерывныммоделированием.

Наглядное моделирование связано с описанием модели на основе представлений, гипотез, выдвигаемых человеком, и применения аналогий различных уровней.

Символьное моделирование отображает свойства объекта-оригинала определенной заранее отработанной системой символов.

Модели на микроуровне обычно формализуют объекты с распределенными параметрами и описываются системами дифференциальных уравнений в частных производных.

Модели на макроуровне обычно представляются обыкновенными дифференциальными уравнениями (задача Коши и краевая задача) и алгебраическими уравнениями. Они используются для моделирования процессов с сосредоточенными параметрами в стационарной и нестационарной постановках.

Модели на метауровне создаются для сложных технических объектов и используются в основном при моделировании систем массового обслуживания и систем автоматического управления.

Имитационное моделирование заключается в создании модели-имитатора работы сложных (чаще при наличии стохастических факторов) систем и процессов при неполных знаниях о ряде процессов в моделируемых объектах. Они не позволяют в отличие от аналитических моделей формировать решение в обычном виде, но за счет перебора вариантов позволяют выбрать приемлемое решение.

Комбинированное моделирование состоит из аналитического моделирования, включая элементы имитационного моделирования, и наоборот.

Реальное моделирование представляет разработку физических полноразмерных или масштабных моделей агрегатов (процессов).

В 2007г. кафедрами ТЭУ и ПТЭ приобретен программный продукт МЭИ «ТВТ Shell» и материалы Электронной Энциклопедии Энергетики.

Электронная Энциклопедия Энергетики включает следующие разделы: общие вопросы теплоэнергетики; теоретические основы теплотехники; тепломеханическое оборудование ТЭС; теплообменное оборудование ТЭС; водоподготовка; водно-химический режим; КИП и автоматика; энергосбережение, экология и охрана труда; топливоиспользование и технология масел; эксплуатация оборудования; тепловые сети. Кроме того, энциклопедия содержит виртуальные лабораторные работы, программы тестирования и тренажеры.

Достаточно большое количество материалов по применению компьютерных технологий в теплоэнергетике и теплотехнике представлено в настоящее время в Интернете. Это – интерактивные справочники по теплоэнергетике и теплотехнике, каталоги энергетического оборудования, нормативно-правовая документация (ГОСТ, СНиП, СН, СО, РД и т.п.), типовые энергетические характеристики и их расчеты, тренажеры и программно-технические средства для производственного персонала энергетических предприятий, таблицы теплофизических свойств энергоносителей и т.д.

Литература: [1],[5],[8],[11],[13],[18].

Лекция 2