Модельно ориентированное проектирование. Создание достоверной модели, на примере авиационного теплообменника

    «Если на клетке слона прочтёшь надпись «буйвол», не верь глазам своим» Козьма Прутков

    В предыдущей статье о модельно-ориентированном проектировании было показано, зачем нужна модель объекта, и доказано, что без этой модели объекта про model based design можно говорить только как о маркетинговой пурге, бессмысленной и беспощадной. Но при появлении модели объекта у грамотных инженеров всегда возникает резонный вопрос: какие есть доказательства, что математическая модель объекта соответствует реальном объекту.




    Один из примеров ответа на этот вопрос приведен в статье про модельно-ориентированное проектирование электропривода. В этой статье мы рассмотрим пример создания модели для авиационных систем кондиционирования воздуха, разбавив практику некоторыми теоретическими соображениями общего характера.


    Создание достоверной модели объекта. Теория


    Чтобы не тянуть резину, сразу расскажу про алгоритм создания модели для модельно-ориентированного проектирования. В нем всего три простых шага:

    Шаг 1. Разработать систему алгебро-дифференциальных уравнений, описывающих динамическое поведение моделируемой систем. Это просто, если знать физику процесса. Множество ученых уже разработали для нас основные физические законы имени Ньютона, Бренули, Навье Стокса и прочих Штангелей Циркулей и Рабиновичей.


    Шаг 2. Выделить в полученной системе набор эмпирических коэффициентов и характеристик объекта моделирования, которые можно получить из испытаний.


    Шаг 3. Провести испытания объекта и настроить модель по результатам натурных экспериментов, так чтобы она соответствовала реальности, с нужной степенью детализации.


    Как видите, просто, как раз два три.


    Пример практической реализации


    Система кондиционирования воздуха (СКВ) в самолете связана с системой автоматического поддержания давления. Давление в самолете должно быть всегда больше внешнего давления, при этом скорость изменения давления должна быть такой, чтобы у летчиков и пассажиров не шла кровь носом и ушами. Поэтому система управления притоком и оттоком воздуха является важной для безопасности, и для ее разработки на земле ставят дорогостоящие системы испытаний. В них создают температуры и давления высоты полета, воспроизводят режимы взлета и посадки на аэродромах разной высоты. И вопрос разработки и отладки систем управления для СКВ встает в полный рост. Сколько времени мы будем гонять испытательный стенд, чтобы получить удовлетворительную систему управления? Очевидно, если мы настроим модель управления на модели объекта, то цикл работ на испытательном стенде может быть значительно сокращен.


    Авиационная система кондиционирования воздуха состоит из таких же теплообменных аппаратов, как и любая другая тепловая система. Батарея – она и в Африке батарея, только кондиционер. Но из-за ограничения взлетной массы и габаритов летательных аппаратов теплообменники делаются как можно более компактными и как можно более эффективными, чтобы с меньшей массы передать как можно больше тепла. В итоге, геометрия становится достаточно причудливой. Как например в рассматриваемом случае. На рисунке 1 представлен пластинчатый теплообменник, у которого в между пластинами для улучшения теплообмена используется мембрана. Горячий и холодный теплоноситель чередуются в каналах, при этом направление течения – поперечное. Один теплоноситель подается на фронтальный срез, другой – на боковой.


    Для решения задачи управления СКВ нам нужно знать, сколько передается тепла от одной среды к другой в таком теплообменнике в единицу времени. От этого зависит скорость изменения температуры, которую мы и регулируем.



    Рисунок 1. Схема авиационного теплообменного аппарата.


    Проблемы моделирования. Гидравлическая часть


    На первый взгляд задача достаточно простая, необходимо рассчитать массовый поток, по каналам теплообменника и тепловой поток между каналами.
    Массовый расход теплоносителя в каналах рассчитывается про формуле Бернули:



    где:
    ΔP – перепад давления между двумя точками;
    ξ – коэффициент трения теплоносителя;
    L – длинна канала;
    d – гидравлический диаметр канала;
    ρ – плотность теплоносителя;
    ω – скорость теплоносителя в канале.


    Для канала произвольной формы гидравлический диаметр рассчитывается по формуле:



    где:
    F – площадь проходного сечения;
    П – смоченный периметр канала.


    Коэффициент трения, рассчитывается по эмпирическим формулам и зависит от скорости течения и свойств теплоносителя. Для разных геометрий получаются разные зависимости, например формула для турбулентного течения в гладких трубах:



    где:
    Re – число Рейнольдса.

    Для течения в плоских каналах можно использовать следующую формулу:



    Из формулы Бернули можно рассчитать перепад давления для заданной скорости, либо наоборот рассчитать скорость теплоносителя в канале, по заданному перепаду давления.


    Теплообмен


    Тепловой поток между теплоносителем и стенкой рассчитывается по формуле:



    где:
    α [Вт/(м2×град)] – коэффициент теплоотдачи;
    F – площадь проходного сечения.

    Для задач течения теплоносителей в трубах, проведено достаточное количество исследований и существует множество расчетных методик, и как правило все сводится к эмпирическим зависимостями, для коэффициента теплоотдачи α [Вт/(м2×град)]



    где:
    Nu – число Нуссельта,
    λ – коэффициент теплопроводности жидкости [Вт/(м×град)]
    d – гидравлический (эквивалентный) диаметр.

    Для расчёта числа (критерия) Нусселта используются эмпирические критериальные зависимости, например формула для расчёта числа Нуссельта круглой трубы выглядит так:



    Здесь мы уже видим еще число Рейнолодса, число Прандтля при температуре стенки и температуре жидкости и коэффициент неравномерности. (Источник)


    Для пластинчатых гофрированных теплообменников формула похожа ( Источник ):

    где:
    n = 0.73 m =0.43 для турбулентного течения,
    коэффициент а – меняется в пределах 0,065 до 0.6 в зависимости от количества пластин и режима течения.

    Учтем, что данный коэффициент рассчитывается только для одной точки в потоке. Для следующей точки у нас другая температура жидкости (она нагрелась или охладилась), другая температура стенки и, соответственно, плывут все числа Рейнольдса, числа Прандтля.


    На этом месте любой математик скажет, что посчитать точно систему, в которой коэффициент меняется в 10 раз невозможно, и будет прав.


    Любой инженер-практик скажет, что каждый теплообменник отличается при изготовлении и посчитать системы невозможно, и тоже будет прав.


    А как же модельно-ориентированное проектирование? Неужели все пропало?


    Продвинутые продавцы западного софта в этом месте будут впаривать вам СуперЭВМ и системы 3D-расчёта, типа «без него никак». И нужно запускать расчет на сутки, чтобы получить распределение температур в течение 1 минуты.


    Понятно, что это не наш вариант, нам нужно отлаживать систему управления, если не в реальном времени, то хотя бы в обозримом.


    Решение методом тыка


    Изготавливается теплообменник, проводится серия испытаний, и задается таблица эффективности установившейся температуры при заданных расходах теплоносителей. Просто, быстро и достоверно, поскольку данные получены с испытаний.


    Недостаток такого подхода – нет динамических характеристик объекта. Да, мы знаем, какой будет установившийся тепловой поток, но не знаем, за какое время он установится при переходе с одного на другой режимы работы.


    Поэтому, рассчитав необходимые характеристики, мы систему управления настраиваем непосредственно на испытаниях, чего нам изначально хотелось бы избежать.


    Модельно-ориентированный подход


    Для создания модели динамического теплообменника необходимо использовать данные испытаний, для устранения неопределенностей в эмпирических формулах расчета – числа Нуссельта и гидравлического сопротивления.


    Решение просто, как все гениальное. Мы берем эмпирическую формулу, проводим эксперименты и определяем значение коэффициента a, тем самым, устраняя неопределенность в формуле.


    Как только у нас появилось определенное значение коэффициента теплоотдачи, все остальные параметры определяются основными физическими законами сохранения. Разность температур и коэффициент теплопередачи определяют количество энергии, передаваемое в канал в единицу времени.


    Зная поток энергии, можно решать уравнения сохранения массы энергии, и импульса для теплоносителя в гидравлическом канале. Например такое:



    Для нашего случая, неопределённым остается поток тепла между стенкой и теплоносителем — Qwall. Подробнее можно посмотреть здесь...

    А так же уравнение производной температуры для стенки канала:



    где:
    ΔQwall – разница входящего и исходящего потока на стенку канала;
    M – масса стенки канала;
    Cpc – теплоемкость материала стенки.

    Точность модели


    Как было сказано выше, в теплообменнике у нас есть распределение температуры по поверхности пластины. Для установившегося значения можно брать среднее по пластинам и использовать его, представив весь теплообменник в виде одной сосредоточенной точки, в которой на одном перепаде температур происходит передача тепла через всю поверхность теплообменника. Но для переходных режимов такое приближением может не работать. Другая крайность –сделать несколько сотен тысяч точек и нагрузить Супер ЭВМ, что тоже нам не подходит, поскольку стоит задача настраивать систему управления в реальном режиме времени, а лучше быстрее.


    Возникает вопрос, на сколько участков нужно разбить теплообменник, чтобы получить приемлемую точность и скорость расчёта?


    Как всегда случайно у меня под рукой оказалась модель аминового теплообменника. Теплообменный аппарат представляет собой трубчатку, в трубах течет греющая среда, между торбами – подогреваемая. Для упрощения задачи всю трубчатку теплообменника можно представить в виде одной эквивалентной трубы, а саму трубу представить в виде набора дискретных расчетных ячеек, в каждой из которых происходит расчет точечной модели теплообмена. Схема модели одной ячейки приведена на рисунке 2. Канал горячего воздуха и канал холодного воздуха соединены через стенку, которая обеспечивает передачу теплового потока между каналами.



    Рисунок 2. Модель ячейки теплообменника.


    Модель трубчатого теплообменника легко настраивается. Можно менять всего один параметр – количество участков по длине трубы и посмотреть на результаты расчётов при разных разбиениях. Проведем расчет нескольких вариантов, начиная с разбиения на 5 точек по длине (рис. 3) и до 100 точек по длине (рис. 4).



    Рисунок 3. Стационарное распределение температуры 5 расчетных точек.



    Рисунок 4. Стационарное распределение температуры 100 расчетных точек.


    В результате расчетов получилось, что установившаяся температура при разбиении на 100 точек составляет 67,7 град. А при разбиении на 5 расчетных точек температура составляет 72, 66 град С.


    Также в нижней части окна выводится скорость расчёта относительно реального времени.
    Посмотрим, как меняется установившаяся температура и скорость расчёта в зависимости от количества расчетных точек. Разницу установившихся температур при расчетах с разным количество расчетных ячеек можно использовать для оценки точности полученного результата.


    Таблица 1. Зависимость температуры и скорости расчета от количества расчетных точек по длине теплообменника.

    Кол-во расчетных точек Установившаяся температура Скорость расчёта
    5 72,66 426
    10 70.19 194
    25 68.56 124
    50 67.99 66
    100 67.8 32

    Анализируя данную таблицу, можно сделать следующие выводы:

    • Скорость расчёта падает пропорционально количеству расчётных точек в модели теплообменного аппарата.
    • Изменение точности расчета происходит экспоненциально. При увеличении количества точек уточнение на каждом следующем увеличении снижается.

    В случае пластинчатого теплообменника с перекрёстным током теплоносителя, как на рисунке 1, создание эквивалентной модели из элементарных расчетных ячеек слегка усложняется. Нам нужно соединить ячейки таким образом, чтобы организовать перекрёстное течения. Для 4 ячеек схема будет выглядеть так, как представлено на рисунке 5.


    Течение теплоносителя разделяется по горячей и холодной ветке на два канала, каналы соединятся через тепловые структуры, таки образом чтобы при прохождении по каналу теплоноситель обменивался теплом с разными каналами. Моделируя перекрёстное течение, горячий теплоноситель идет слева на право (см. рис. 5) в каждом канале, последовательно обмениваясь с теплом с каналами холодного теплоносителя, который идет снизу вверх (см. рис. 5). Самая горячая точка находится в левом верхнем углу, поскольку горячий теплоноситель обменивается теплом с уже нагретым теплоносителем холодного канала. А самая холодная в правом нижнем, где холодный теплоноситель обменивается теплом с горячим теплоносителем, уже остывшим на первом участке.



    Рисунок 5. Модель поперечного потока из 4 расчетных ячеек.


    Такая модель для пластинчатого теплообменника не учитывает перенос тепла между ячейками за счет теплопроводности и не учитывает перемешивание теплоносителя, так как каждый канал изолированный.


    Но в нашем случае последнее ограничение не уменьшает точность, поскольку в конструкции теплообменника гофрированная мембрана разделяет поток на множество изолированных каналов по теплоносителю (см. рис. 1). Посмотрим, что происходит с точностью расчета при моделировании пластинчатого теплообменника при увеличении количества расчетных ячеек.


    Для анализа точности мы используем два варианта разбиения теплообменника на расчетный ячейки:

    1. Каждая квадратная ячейка содержит два гидравлических (холодный и горячий потоки) и один тепловой элемент. (см. рисунок 5)
    2. Каждая квадратная ячейка содержит шесть гидравлических элементов (по три участка в горячем и холодном потоках) и три тепловых элемента.

    В последнем случаем мы используем два вида соединения:

    • встречное течение холодного и горячего потоков;
    • попутное течение холодного и горячего потока.

    Встречное течение увеличивает эффективность по сравнению с перекрёстным, а попутное течение уменьшает. При большом количестве ячеек происходит усреднение по потоку и все становится близко к реальному поперечному обтеканию (см. рисунок 6).


    Рисунок 6. Модель поперечного потока из четырех ячеек с 3-я элементами.


    На рисунке 7 приведены результаты установившегося стационарного распределения температуры в теплообменнике при подаче по горячей линии воздуха с температурой 150 °С, а по холодной линии – 21 °С, для различных вариантов разбиения модели. Цветом и цифрами на ячейке отражается средняя температура стенки в расчетной ячейке.



    Рисунок 7. Установившиеся температуры для разных расчетных схем.


    В таблице 2 приведена установившаяся температура подогретого воздуха после теплообменника в зависимости от разбиения модели теплообменника на ячейки.


    Таблица 2. Зависимость температуры от количества расчетных ячеек в теплообменнике.
    Размерность модели Установившаяся температура
    1 элемент в ячейке
    Установившаяся температура
    3 элемента в ячейке
    2х2 62,7 67.7
    3x3 64.9 68.5
    4х4 66.2 68.9
    8х8 68.1 69.5
    10x10 68.5 69.7
    20x20 69.4 69.9
    40x40 69.8 70.1

    При увеличении количества расчетных ячеек в модели происходит рост конечной установившейся температуры. Разницу между установившейся температурой при разных разбиениях можно рассматривать как показатель точности расчёта. Видно, что при увеличении количества расчетных ячеек температура стремится к пределу, и рост точности не пропорционален количеству расчетных точек.


    Возникает вопрос, а какая точность модели нам нужна?


    Ответ на это вопрос зависит от назначения нашей модели. Поскольку в данной статье речь идет про модельно-ориентированное проектирование, то модель мы создаем для настройки системы управления. Это значит, что точность модели должна быть сопоставима с точностью датчиков, используемых в системе.


    В нашем случае температура измеряется термопарой, у которой точность составляет ±2.5°С. Любая точность выше для целей настройки системы управления бесполезна, наша реальная система управления просто ее «не увидит». Таким образом, если принять, что предельная температура при бесконечном числе разбиений – 70 °С, то достаточной точности будет модель, которая дает нам больше 67.5 °С. Все модели с 3 точками в расчетной ячейке и модели больше 5х5 с одной точкой в ячейке. (Выделенные зеленым в таблице 2)


    Динамические режимы работы


    Для оценки динамического режима оценим процесс изменения температуры в самой горячей и холодной точках стенки теплообменника для разных вариантов расчетных схем. (см. рис. 8)


    Рисунок 8. Прогрев теплообменника. Модели размерности 2х2 и 10х10.


    Видно, что время переходного процесса и сам его характер, практически не зависят от количества расчетных ячеек, и определяются исключительно массой прогреваемого металла.


    Таким образом, делаем вывод, что для честного моделирования теплообменника в режимах от 20 до 150 °С, с точностью, необходимой системе управления СКВ, достаточно порядка 10 – 20 расчетных точек.


    Настройка динамической модели по эксперименту


    Имея математическую модель, а так же данные эксперимента по продувке теплообменника, нам остается сделать простую коррекцию, а именно, ввести коэффициент интенсификации в модель, такой чтобы расчет совпадал с результатами эксперимента.


    Более того, используя графическую среду создания модели, мы сделаем это автоматически. На рисунке 9 представлен алгоритм подбора коэффициентов интенсификации теплообмена. На вход подаются данные, полученные из эксперимента, подключается модель теплообменника, и на выходе получаются необходимые коэффициенты для каждого из режимов.



    Рисунок 9. Алгоритм подбора коэффициента интенсификации по результатам эксперимента.


    Таким образом мы определяем тот самый коэффициент для a числа Нуссельта и устраняем неопределенность в формулах расчета. Для различных режимов работы и температур значения поправочных коэффициентов могут меняться, однако для схожих режимов работы (нормальной эксплуатации) они оказываются весьма близкими. Например, для данного теплообменника для различных режимов коэффициент составляет от 0.492 до 0.655


    Если применить коэффициент 0.6, то в исследуемых режимах работы погрешность расчета будет меньше погрешности термопары, таким образом, для системы управления математическая модель теплообменника будет полностью адекватной настоящей модели.


    Результаты настройки модели теплообменника


    Для оценки качества теплообмена используется специальная характеристика – эффективность:



    где:
    effгор – эффективность теплообменника по горячему теплоносителю;
    Tгорin – температура на входе в теплообменник по тракту движения горячего теплоносителя;
    Tгорout – температура на выходе их теплообменника по тракту движения горячего теплоносителя;
    Tхолin – температура на входе в теплообменник по тракту движения холодного теплоносителя.

    В таблице 3 приведены значения отклонения эффективности модели теплообменника от экспериментальной при различных расходах по горячей и холодной линиям.


    Таблица 3. Погрешности расчёта эффективности теплообмена в %


    В нашем случае подобранный коэффициент может быть использован во всех интересуемых нас режимах работы. В случае если при низких расходах, где погрешность больше, необходимая точность не достигается, мы можем использовать переменный коэффициент интенсификации, который будет зависеть от текущего расхода.


    Например, на рисунке 10 коэффициент интенсификации рассчитывается по заданной формуле в зависимости от текущего расхода в ячейках канала.



    Рисунок 10. Переменный коэффициент интенсификации теплообмена.


    Выводы


    • Знание физических законов позволяет создавать динамические модели объекта для модельно-ориентированного проектирования.
    • Модель должна быть верифицирована и настроена по данным испытаний.
    • Средства разработки моделей должны позволять разработчику настраивать модель по результатам испытаний объекта.
    • Используйте правильный модельно-ориентированный подход и будет вам счастье!

    Бонус для тех кто дочитал. Видео работы виртуальной модели системы СКВ.

    Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.

    О чем рассказать дальше?

    • 73,9%Как доказать что программа в модели соотвесвует программе в аппаратуре.17
    • 26,1%Как использовать вычисления на СуперЭВМ для модельно ориентированного проектирования.6

    Средняя зарплата в IT

    113 000 ₽/мес.
    Средняя зарплата по всем IT-специализациям на основании 10 037 анкет, за 2-ое пол. 2020 года Узнать свою зарплату
    Реклама
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее

    Комментарии 35

      +1
      Разработать систему алгебро-дифференциальных уравнений, описывающих динамическое поведение моделируемой систем. Это просто, если знать физику процесса. Множество ученых уже разработали для нас основные физические законы имени Ньютона, Бренули, Навье Стокса и прочих Штангелей Циркулей и Рабиновичей.


      А если физика процесса неизвестна или просто лень с системой диффуров заморачиваться на первых этапах, то можно сделать System identification в Матлабе

      System Identification Toolbox предоставляет возможности для построения математических моделей динамических систем по измеренным данным входа и выхода реальной системы.
        0
        Если физика объекта не известна, то это не проектирование от слова совсем.
        И если вы систему идентифицировали, в диапазонах на которых были данные, то при выходе за диапазон никто не гарантирует результата.
          +1
          И если вы систему идентифицировали, в диапазонах на которых были данные, то при выходе за диапазон никто не гарантирует результата.

          Да, верно. Поэтому диапозон входных данных должен быть максимально возможным.

          System Identification больше напоминает reverse engineering физических процессов.
            0
            А здесь возникает вопрос испытаний. В данном случае, я должен в теплообменник загнать воздух с температурой высоты 10 км это -50, плюс для работы System Identification, вы должны мерить не просто точку с установившееся режимом, а скорость перехода из состояние в состояние, с учетом инерционность термопар, сложности настройки оборудования, получить идеальное воздействие для переходного процесса вообще отдельная наука.
              +1
              Да, инерционность(тау) is a bitch.
              Разумеется замеры должны быть максимально непрерывными с достаточной частотой сэмплирования
          0
          в SimInTech это тоже есть, но для реальных проектов, все таки лучше смотреть на процессы, понимая физику или хотя бы приближаясь к ней
          +1
          Я так понимаю, что следующая статья будет про Hardware in the loop, судя по результатам голосования.
          A real control system - how to start designing

            0
            хорошее видео
            0
            Получается что то типа openmodelica/modelica, аналоги скорее не simulink, где больше всё заточено на системы управления а Amesim, dymola и иже с ним.
            У вас уравнения и их взаимосвязи как описываются, с помощью какого языка?
            У нас брошюра весит для студентов и преподаватель simintech бесплатен, это так?
            Насколько я знаю Siemens сейчас Amesim довольно агрессивно рекламирует и есть внедрения, на тот же энергомаш и миль, плюс там большая готовая база библиотек, в том числе для теплообменников.
              +1
              Еще дополнить можно Wolfram SystemModeler, MapleSim
                0
                База хороша, когда у вас комплектующие готовые и соотвесвуют этой базе. Тогда да берете теплообменник, а если к нему еще и модель с поддержкой FMI интерфеса для моделирования тогда вообще хорошо, но беда в том, если мы проектируем, у нас аппарат которого нет в библиотеке. К тому же в случае теплообменника, в авиации влияния неачинает оказывать взаимное расположение агрегатов, когда перетоки тепла, нужно учитывать.
                  0
                  C амесим у нас смешная истоия была.
                  Мы их на простой задачи со стенкой из учебника поймали.
                  А поскольку библиотека для наших продавцов закрыта, он не могли поправть в течении полу-года.
                  А сколько там еще не простых ошибок?
                  image
                    0

                    Для студентов и преподавателей бесплатный, плюс сейчас действует программа, за каждую публикацию статьи с использованием SimInTechплатится 10 000 руб.

                      0
                      Нет тут тоже основное назначение — создание программы управления для контроллера. Более того есть сретификат для систем безопасности АЭС которые позволяют генерировать код из схемы в контроллеры управления важные для безопасности.
                      Что касается языка то это смесь паскаля (откуда взяли begin — end) и матлаба, где производная пишетеся как y' = a*x;
                      и естественно можно как в Simulinк из блоков собирать уравнения:
                      Например гидроцилиндр в виде набора блоков:
                      image
                      Камера в виде дифиренциального уравнения:
                      image
                        0
                        Нет тут тоже основное назначение — создание программы управления для контроллера. Более того есть сретификат для систем безопасности АЭС которые позволяют генерировать код из схемы в контроллеры управления важные для безопасности.

                        У amesim и похожих назначение несколько другое, это скорее программы для одномерных расчётов сложных систем, гидравлика, пневматика, переходные процессы, а вот с системами управления там не очень, как и с генерированием кода.
                        если мы проектируем, у нас аппарат которого нет в библиотеке. К тому же в случае теплообменника, в авиации влияния неачинает оказывать взаимное расположение агрегатов, когда перетоки тепла, нужно учитывать.

                        Это так, но зачастую система состоит из набора простых элементов, например тот же flowmaster достаточно хорошо гидравлическую схему двигателя моделирует, по сути состоя из библиотечных элементов с гидравлическими сопротивлениями (хотя иногда и весьма специфичными, по типу лабиринтного уплотнения). У вас библиотеки, по типу того же amesim есть, с той же стенкой или надо руками уравнения прописывать?
                        Что касается языка то это смесь паскаля (откуда взяли begin — end) и матлаба, где производная пишетеся как y' = a*x;

                        А интеграция modelici не планируется? По сути сейчас это чуть ли не стандарт языка моделирования систем, плюс на нём куча библиотек готовых есть.
                        Вообще какие то туториалы в открытом доступе есть посмотреть, может ролики на youtube? У Вас вроде даже интеграция с тем же логосом прописана, мультисистемная модель, а как это в интерфейсе выглядит непонятно.
                        Для студентов и преподавателей бесплатный

                        А как его получить и посмотреть?
                      0
                      Для студентов бесплатен. Для преподователей в обмен на методические материаллы. Для университетов есть программы сотрудничества. В Amesim нет наших теплообменников той базе
                      0

                      В части моделирования все похоже. И библиотеки конечно есть, и в отличие от amesima болшая часть открыта для пользователя. Особенность SimInTech втом, что он для АЭС использовался изначально и там много, систем, подсистем и оборудования, поэтому ядро изначално для больших схем писали свое. Соответсвенно с моделикой пока не работает. А брать готовое ядро моделике — терять все преимущества.
                      Например сейчас у нас модель гидравлической системы управления для подводной добычи газа считает все месторождение в реальном времени.
                      Референтная модель на моделике в SimulationX, c которой мы вериффицировались, на этой же машине медленне раз в 10-20, результаты совпадают.
                      Сейчас можно модель по протоколу FMI подключать.
                      Встроить возможность считать моделикой планируем, что бы открытые библиотеке можно было к нам подключать. Но у большинства комерческих продуктов, модели закрыты, хотя выполнены на моделике. Amesim тот же. А когда модель закрыта, какая разница, в том что там стандартная моделика, код то недоступен.

                        0
                        Но у большинства комерческих продуктов, модели закрыты, хотя выполнены на моделике. Amesim тот же

                        У коммерческих то да, но существуют открытые, например modelica.org/libraries
                        медленне раз в 10-20, результаты совпадают.

                        Сама то моделика не очень быстрая, это да, но и её подход более удобен, с соединителями, особо для мультидисциплинарных расчётов.
                        что он для АЭС использовался

                        Вроде у вас числится ЦИАМ в пользователях, они для систем управления или ПГС использовали?
                        Есть ли возможность мультидисциплинарных расчётов (как в amesim пример по газотурбинному двигателю)?
                          0
                          Как раз ради открытых библиотек мы и смотрим на Моделику.
                            0
                            Ну с соединителям в виде линий связи у нас на моделику похоже решения, просто создается двунаправленная шина данных и в системе задается ее тип, механическая, электрическая, гидавлическая и т.п. После этого, уже пользователю не дадут соединить электрическую связь с механической или цифровой. Например на приложенной картинке с моделью привода — зеленые линии это механическая связь.image
                            Опять таки по опыту выясняется что удобство связей имеет свою цену, особеннок когда код закрыт. У нас был опыт когдам мы гидавлическую и механическую систему соединяли, в одном случае получается, что скорость рассчитывается в двух местах и итерациями уравнивается, если мы используем стандартные связи. А если переделать рассчетную схему и скорость считать в механической части и передавать в гидравлическую, то исчезают лишнии итерации и расчет ускоряется. Но связь уже не стандартная и универсальная и работает только в конкретном случае. Тут всегда нужно искать лучший вариант. Идеально конечено иметь возможность и стандартные связи моделики и возможность из изменения.
                            0
                            Референтная модель на моделике в SimulationX, c которой мы вериффицировались, на этой же машине медленне раз в 10-20, результаты совпадают.

                            Странно, а сначала вроде у вас медленнее считалось, чем в SimulationX)
                            Посмотрел в нашей переписке, в SimulationX считалось примерно в 30 раз быстрее реального времени на моём компе. Как вам удалось замедлить нашу модель?))
                              0
                              А мы модель мы не замедляли, мы просто перемножили время расчета вашей модели на количество таких же моделей в итоговой и поняли что с такой скоростью не полетит.
                            0

                            Да нормально, мы же вашу модель использовали просто из коробки. И скорость нас устраивала — задача решена. У нас первый вариант тоже считал примерно так же. Просто потом у нас появилось полное месторождение, вот тут пришлось анализировать, что и где можно и нужно ускорять.

                              +1
                              Ну главное, что есть понимание, что скорость расчёта модели зависит не от того, на каком языке она написана, а какие допущения заложены.
                              Но почему-то я не сомневался, что в итоге по результатам этого проекта появятся ваши типичные маркетинговые сказочки «модель на моделике в SimulationX медленнее раз в 10-20, результаты совпадают».
                                0
                                Так про это и речь, ну не стали бы вы специально для нас менять модели гидропривода арматуры, в которой скорость рассчитывается в двух местах и это вызывает замедление рассчета когда таких армтур в модели больше 150 штук. Не думаю что разработчикам SimulationХ, так же есть смысл вводить и выводить сигналы в систему управления для отладки ПМУ непосредственно из полости в гидроцилиндре. Такая задача у нас тоже возникла. Так же, как специально для тебя никто в Match Works не будет править Simscape. Я сейчас тебя процитирую:
                                «Видно, что результат практически не отличается, за тем исключением, что Simscape почему-то начинает неистово дробить шаг в конце переходного процесса. Возможно, это связано со способом расчёта расхода, который в конце становится очень маленьким, а может и нет...»
                                «Примерно та же самая история. Результаты практически не отличаются, но Simscape почему-то безосновательно начинает дробить шаг. Что у него в голове? Я не знаю...»
                                  +1
                                  Так про это и речь, ну не стали бы вы специально для нас менять модели гидропривода арматуры, в которой скорость рассчитывается в двух местах и это вызывает замедление рассчета когда таких армтур в модели больше 150 штук. Не думаю что разработчикам SimulationХ, так же есть смысл вводить и выводить сигналы в систему управления для отладки ПМУ непосредственно из полости в гидроцилиндре.


                                  Выводить сигналы из полостей гидроцилиндра можно и стандартными инструментами, для этого ничего дописывать не нужно. Если для решения задачи требуется создание новых компонентов, эти компоненты заказчик получает в полностью открытом виде.
                                  Недавно мы делали проект, где речь шла о стыковке по SiL с контроллером Сименс гидравлической системы тоже более чем с сотней арматур, и под этот проект я написал с нуля модель центробежного насоса (вне бюджета проекта), которая позволяет моделировать его запуск, не замедляя расчёт. Плюс создал библиотеку компонентов специально под эту систему, из которых можно спокойно собирать аналогичные системы, не беспокоясь, что где-то начнётся дробление шага интегрирования.

                                  Так что здесь речь только о том, подключаешь ли ты к своему проекту разработчиков софта. В случае с Simscape и Amesim, это практически нереально, для нас же это обычный рабочий процесс. Поэтому скорость расчёта и точность модели будет ровно такая, какая требуется для решения задачи.
                                    0
                                    Вывод параметров это не то, там просто оказалость прямо в теле кода где рассчет давления напрямую запись делать в базу данных сигналов, которую видит на отдельной виртуальной машине система в реальном времени, обходя все стандартные механизьмы, в конечной версии это удалили, и пользователям не отдали, это такой хак который в конкретном случае был полезен, и много времени для отладки сохранил.

                                    А вот это реально круто, когда можно с разработчиком договорится. Просто для разработчиков MatchWorks это то же ральный процесс (наверное), но к ним очередь из страждущих бесконечна и наши хотелки и проблемы для них как блоха кусающая вошь — малое более высокго порядка. Как наверное для любого реально массового софта. Будь у заказчкиа Simscape, хрен бы он увидел и «модель центробежного насоса (вне бюджета проекта)» и «библиотеку компонентов специально под эту систему».

                                    Тут все определяется соотнешением цена — работа. Вам еще повезло, что французы гайки не закручивают, по моему опыту с Dassault, они заряжают ценник 1000$ в день за специалиста, но могут как специалиста прислать консультанта который только 2 недели назад из Simiens пришол. И все что может это вопроссы записать и отправить по длинной цепочке, которая к разработчику может привести недели через 2, с вероятностью 50%
                                      0
                                      Будь у заказчкиа Simscape, хрен бы он увидел и «модель центробежного насоса (вне бюджета проекта)» и «библиотеку компонентов специально под эту систему».

                                      Да, но не потому что у них массовый софт, а потому что это универсальный и мощный инструмент научного работника для решения широкого круга научных задач. SimulationX же — инструмент инженера для решения прикладных технических задач.
                                      Mathworks шли от инструмента для работы с огромными матрицами для решения научных и образовательных задач, наша же программа изначально развивалась, отталкиваясь от инженерных проектов, в результате которых получались библиотеки компонентов.
                                      Поэтому и заказчики у нас совершенно разные. Вам Simscape для этого проекта не подошёл бы не только потому что разработчики и инженеры далеко, а потому что у них в принципе не было опыта в таких проектах. Максимум что они предлагают — это консалтинг, в процессе которого научат более эффективно использовать их софт, но сами задачи в любом случае решать нужно было бы вам самим. Для университетов это ок, но для фирм, которые решают прикладные задачи, это зачастую слишком дорого и долго.
                                      0
                                      Плюс создал библиотеку компонентов специально под эту систему, из которых можно спокойно собирать аналогичные системы, не беспокоясь, что где-то начнётся дробление шага интегрирования.
                                      — Это ты сейчас всю моделику и своих немецких коллег подопустил? Типа без тебя их стандартные компоненты на больших моделях тормозили и дробили шаг? :))))
                                      А политично рассуждаешь! Клянусь честное слово, не понимаешь политической ситуации! youtu.be/JVmNb1wDDZg
                                        0
                                        Типа без тебя их стандартные компоненты на больших моделях тормозили и дробили шаг?

                                        Плохо ты мою методичку читал) Какие бы ни были стандартные компоненты, всё равно в конечном итоге всё определяется выбранными допущениями (какие конкретно компоненты взять и как их между собой соединить). Модели, предназначенные для расчётов в килогерцовом диапазоне, как правило, непригодны для расчётов в масштабе времени суток. Собственно, и вам пришлось начать думать где и как что можно ускорить, несмотря на ваш хвалёный решатель жёстких диффуров.
                                        Что хорошо в Modelica как языке — что можно удобно создавать вложенные структуры элементов моделей и при необходимости подменять их на аналогичные по структуре, но с другим наполнением. Недавно освоил эту технологию и в новых проектах стараюсь делать модели с переключением степеней детальности, чтобы можно было быстро проанализировать какое свойство системы за какой физический эффект отвечает.
                                        На примере из гидравлики — есть плунжерный насос, у которого возникают пульсации давления на выходе. Есть предположение, что это из-за клапанов. Можно сделать модель клапана с несколькими степенями детальности (без учёта инерции, с учётом, без учёта гидродинамической силы, с учётом и т.п.) и одним кликом менять структуру модели, анализируя как какой эффект влияет на пульсации. На детальной модели можно отладить конструкцию насоса, а для расчёта того же трубопровода, например, или редуктора к насосу, использовать уже упрощённую быструю модель.

                                        По поводу дробления шага, у вас вон есть полный доступ вообще ко всему вашему коду, а всё равно не могли понять почему шаг интегрирования дробится при околонулевых расходах дросселя)
                                          0

                                          "По поводу дробления шага, у вас вон есть полный доступ вообще ко всему вашему коду, а всё равно не могли понять почему шаг интегрирования дробится при околонулевых расходах дросселя)"
                                          Ничего уливииельно.Избаловали гилравлика, что все всегда считается он и там и налепил, уравненений, мне пришлось твое пособие читать, чтр бы понять где он косячит.

                                            0
                                            «Что хорошо в Modelica как языке — что можно удобно создавать вложенные структуры элементов моделей и при необходимости подменять их на аналогичные по структуре, но с другим наполнением.»
                                            Что значит одинаковые по структуре но с другим наполнением? У нас можно назначить внутренность блока в виде субмодели, и при изменения параметра полностью менять все что находится внутри блока. Если портов стало больше, то они просто добавятся. Если меньше, то линия связи просто повиснет. На рисунке один и тот же блок, у которого разные параметры в свойствах, видно что в одном случае просто выход, в другом можно управляющее воздействия и нетраль подключать к схеме.
                                            image
                                +1
                                Про динамику и управление ничего сказать не могу. Но теплообмен на троечку. У меня к Вам следующие претензии:
                                1. Ничего не сказано про изменение теплофизических свойств воздуха. При перепаде температур от 120 до 70 градусов плотность и вязкость воздуха меняются довольно существенно. Очевидно это как-то учитывается в модели, но хотелось бы увидеть этов явном виде.
                                2. Убейте не понял зачем нужно было городить огород с шестью ячейками. Попутный ток, противоток вместо перекрестного тока. Сложно и не нужно.
                                3. Второе уравнение для числа Нуссельта. Вы ссылаетесь на книгу «РАСЧЕТ ПЛАСТИНЧАТЫХ
                                ТЕПЛООБМЕННИКОВ», а рассчитываете компактный пластинчато-ребристый. Это разные типы. И при всем обилии литературы по данному вопросу ставить ссылки на методички. Чем вам Чичиндаев не угодил? Он как раз занимался расчетами СКВ и тоже разбивал теплообменник на ячейки.
                                4. Самое, на мой скромный взгляд, некорректное в Вашей модели. Вы берете какие-то непонятные характеристические уравнения, загружаете данные экспериментов, а потом занимаетесь подгонкой. Зачем? Тем более, если у вас коэффициенты в формуле не постоянные. С таким же успехом можно просто линейные уравнения использовать. Правильнее было бы обобщить данные продувок и работать с ними без промежуточного звена.
                                  0
                                  Претензии справедливые, но
                                  1) Свойства воздуха учитываются в уравнениях, на каждом временном шаге и для каждого рассчетного объема используются свойства из таблиц для рассчитываемых параметров. Просто формулы заняли бы еще 30 страниц текста.
                                  2) Элементарная ячека в модели это упрощенно «канал теплоносителя со стенкой», количество расчетных участков в трубе задается достаточно просто, одно цифрой. Соединение же между участками, для получения перекрестного расхода, требует создания 6 соединений (вход — выход горячий, вход-выход холодный, 2 тепловые связи см. рис. 5) с точки зрения создания расчетной схемы это просто по времени дольше. Поэтому и попробавали соединений сделать меньше, а точек внутри больше. Большее количество расчетных ячеек, при меньших усилиях и посмотреть что по результатам получится.
                                  3) Формулы были приведены, просто для примера, что бы показать существующий широкий диапазон коэффициентов в этих формулах и пояснить на примерах, что напрямую взять их и получить рассчет не получится, нужно настраивать по результатам эксперимента.
                                  4) Характеритические уравнения мы берем как раз понятные, и обще употребительные, рекомендованные авторами как раз для авиационных теплообменника, но коэффициенты в этих уравнениях мы получаем методом настройки по модели.
                                  Если бы у нас был один теплообменник в системе, то нам достаточно было бы просто данных продувок, но у нас целая система с турбопродами задвижками, турбохолодильниками и регуляторами, и считать ее надо в комплексе в динамических режимах. В данных режимах нам важна не точка продувки (расход и установившаяся температура), а именно скорость изменения. Нам нужно понять как растет температура, котороая приводит к изменению свойств (полотность, взяскость) а далее к изменению течения воздуха во всей системе.

                                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                Самое читаемое