9709
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
А.Г. Кочев
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЯ И ВЕНТИЛЯЦИИ
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным и практическим занятиям (включая рекомендации по организации
самостоятельной работы и выполнению расчётно-графической работы) по дисциплине «Моделирование процессов в системах теплогазоснабжения и вентиляции» для обучающихся по направлению подготовки 08.04.01 Строительство, профиль Теплогазоснабжение и вентиляция, очной и заочной форм обучения
Нижний Новгород
2023
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
А.Г. Кочев
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЯ И ВЕНТИЛЯЦИИ
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным и практическим занятиям (включая рекомендации по организации
самостоятельной работы и выполнению расчётно-графической работы) по дисциплине «Моделирование процессов в системах теплогазоснабжения и вентиляции» для обучающихся по направлению подготовки 08.04.01 Строительство, профиль Теплогазоснабжение и вентиляция, очной и заочной форм обучения
Нижний Новгород ННГАСУ
2023
УДК 536.24
А.Г. Кочев, Моделирование процессов в системах теплогазоснабжения и вентиляции. [Электронный ресурс]: учеб.- метод. пос. / А.Г. Кочев, Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т
– Н. Новгород: ННГАСУ, 2023. – 74 с; – Текст : электронный.
В настоящем учебно-методическом пособии по дисциплине «Моделирование процессов в системах теплогазоснабжения и вентиляции» даются конкретные рекомендации учащимся для освоения как основного, так и дополнительного материала дисциплины и тем самым способствующие достижению целей, обозначенных в учебной программе дисциплины. Цель учебно-методического пособия — это помощь в подготовке к практическим занятиям, а также в написании расчетно-графической работы.
Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекционным и практическим и занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы и выполнению расчетно-графической работы по дисциплине «Моделирование процессов в системах теплогазоснабжения и вентиляции» для обучающихся по направлению подготовки 08.04.01 Строительство, профиль Теплогазоснабжение и вентиляция, очной и заочной форм обучения.
.
© А.Г. Кочев, 2023 © ННГАСУ, 2023.
|
|
|
5 |
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
|
Общие положения ..................................................................................................................................... |
|
7 |
|
1. Общие положения ................................................................................................................................. |
|
7 |
|
1.1 |
Цели изучения дисциплины и результаты обучения ................................................................... |
|
7 |
1.2 |
Содержание дисциплины................................................................................................................ |
|
8 |
1.3 |
Порядок освоения материала ......................................................................................................... |
|
8 |
2. Методические указания по подготовке к лекциям ............................................................................ |
|
9 |
|
2.1 |
Общие рекомендации по работе на лекциях ................................................................................ |
|
9 |
2.2 |
Общие рекомендации при работе с конспектом лекций ............................................................. |
9 |
|
2.3 |
Общие рекомендации по изучению материала лекций и их теоретический базис................... |
9 |
|
3. Методические указания по подготовке к практическим занятиям ............................................ |
3333 |
||
3.1 |
Общие рекомендации по подготовке к практическим занятиям .............................................. |
33 |
|
3.2 |
Работа на практических занятиях ............................................................................................ |
|
3333 |
3.2.1 Физико-математическое моделирование ................... |
Ошибка! Закладка не определена.33 |
||
3.2.2. Теплопроводность многослойной плоской стенки .. |
Ошибка! Закладка не определена.33 |
||
4. Методические указания по организации самостоятельной работы ............................................. |
377 |
||
4.1 |
Общие рекомендации для самостоятельной работы ............................................................... |
|
377 |
4.2 |
Темы для самостоятельного изучения ...................................................................................... |
|
378 |
4.3 |
Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы................................................ |
388 |
|
5. Методические указания по выполнению расчётно-графической работы...................................... |
3939 |
||
Пример расчётно-графической работы ............................................................................................... |
|
3939 |
|
3. Теплотехнический расчёт сопротивления теплопередаче наружной стены ................................. |
39 |
||
3.1 Исходные данные.............................................................................................................................. |
|
39 |
|
3.2 Конструирование и расчет теплообменного аппарата ................................................................ |
|
371 |
|
4. Моделирование на моделях объекта ...................................................................................... |
|
46 |
|
4.1 Теория подобия............................................................................................................................ |
|
48 |
|
4.2 Исследование внешней аэродинамики здания. Аэродинамические трубы........... |
50 |
||
4.3 Определение аэродинамических характеристик (коэффициентов лобового и |
|
||
поперечного сопротивлений) при обтекании ветровыми потоками макета |
|
||
сооружения....................................................................................................................... |
|
52 |
|
5. Заключение................................................................................................................... |
|
58 |
|
Список источников.......................................................................................................... |
|
59 |
6
1. Общие положения
1.1 Цели изучения дисциплины и результаты обучения
Целями освоения дисциплины Б.1.В.07.Моделирование процессов в системах теплогазоснабжения и вентиляции являются получить базовые знания о методах математического, физико-математического и физического моделирования тепломассообменных, теплотехнических, гидродинамических и аэродинамических процессов в системах теплогазоснабжения и вентиляции. Получить систему теоретических знаний и практических навыков для постановки задач и разработки моделей тепломассообменных, теплотехнических, гидродинамических и аэродинамических процессов. Сформировать комплекс теоретических знаний и практических навыков для проведения расчётов, замеров и обследования при моделировании исследуемых процессов. Получить знания об аналитических и численных методах решения прикладных технических задач с конкретными граничными условиями. Ознакомиться с основными понятиями курса.
В процессе освоения дисциплины студент должен
Знать:
–способы разработки проектные решения и организовывать работы по проектированию систем теплогазоснабжения, вентиляции и выбора варианта проектного технического решения систем теплогазоснабжения, вентиляции;
–способы осуществления обоснования проектных решений систем теплогазоснабжения, вентиляции и выбора данных для выполнения расчетного обоснования технологических, технических и конструктивных решений систем теплогазоснабжения, вентиляции;
–способы выполнения и организации научных исследований в сфере теплогазоснабжения и вентиляции и формулирования целей, постановки задач исследования в сфере теплогазоснабжении и вентиляции;
–способы осуществления критического анализа проблемных ситуаций на основе системного подхода, вырабатывания стратегию действий и описания сути проблемной ситуации;
Уметь:
применять способы разработки проектные решения и организовывать работы по проектированию систем теплогазоснабжения, вентиляции и выбора варианта проектного технического решения систем теплогазоснабжения, вентиляции;
применять способы осуществления обоснования проектных решений систем теплогазоснабжения, вентиляции и выбора данных для выполнения расчетного обоснования технологических, технических и конструктивных решений систем теплогазоснабжения, вентиляции;
применять способы выполнения и организации научных исследований в сфере теплогазоснабжения и вентиляции и формулирования целей, постановки задач исследования в сфере теплогазоснабжении и вентиляции;
применять способы осуществления критического анализа проблемных ситуаций на основе системного подхода, вырабатывания стратегию действий и описания сути проблемной ситуации;
Владеть:
–способами разработки проектные решения и организовывать работы по проектированию систем теплогазоснабжения, вентиляции и выбора варианта проектного технического решения систем теплогазоснабжения, вентиляции;
7
–способами осуществления обоснования проектных решений систем теплогазоснабжения, вентиляции и выбора данных для выполнения расчетного обоснования технологических, технических и конструктивных решений систем теплогазоснабжения, вентиляции;
–способами выполнения и организации научных исследований в сфере теплогазоснабжения и вентиляции и формулирования целей, постановки задач исследования в сфере теплогазоснабжении и вентиляции;
–способами осуществления критического анализа проблемных ситуаций на основе системного подхода, вырабатывания стратегию действий и описания сути проблемной ситуации.
Данная дисциплина позволит студентам не только систематизировать полученные теоретические знания, укрепить исследовательские навыки, но и даст возможность ориентироваться в области дисциплины «Моделирование процессов в системах теплогазоснабжения и вентиляции».
1.2 Содержание дисциплины
Материал дисциплины сгруппирован по следующим разделам:
1. Введение.
Введение. Основные определения, понятия, требования, этапы и условия моделирования.
2. Математическое моделирование.
Аналитическое моделирование. Численное моделирование.
Конечно-разностная схема записи дифференциальных уравнений.
3. Физико-математическое моделирование.
Расчёт фактического сопротивления теплопередаче наружной стены.
4. Моделирование на моделях объектов.
Теория подобия.
Исследование внешней аэродинамики здания. Аэродинамическая труба.
Определение аэродинамических характеристик (коэффициентов лобового и поперечного сопротивлений) при обтекании ветровым потоком макета сооружения.
1.3 Порядок освоения материала
На освоение материала студентам выделяется 16 часов лекционных и 16 часов практических занятий, а также отводится 112 часа на самостоятельное обучение. За это время, по мере освоения учебного материала, студенты также должны выполнить расчётно-графическую работу. По окончанию курса сдается зачёт с оценкой. Студенты, не выполнившие расчётнографическую работу, до зачёта не допускаются.
8
2.Методические указания по подготовке к лекциям
2.1Общие рекомендации по работе на лекциях
Лекция – это важнейшее звено дидактического цикла обучения, цель которой - формирование основы для последующего усвоения учебного материала. В ходе лекции преподаватель в устной форме, а также с помощью презентаций передает обучаемым знания по основным, фундаментальным вопросам изучаемой дисциплины.
Назначение лекции состоит в доходчивом изложении основных положений изучаемой дисциплины и ориентации на наиболее ее важные вопросы.
Большие возможности для реализации образовательных и воспитательных целей предоставляет личное общение на лекции преподавателя со студентами.
При подготовке к лекционным занятиям студенты должны ознакомиться с презентаций, предлагаемой преподавателем, отметить непонятные термины и положения, подготовить вопросы с целью уточнения правильности понимания. Рекомендуется приходить на лекцию подготовленным, так как в этом случае лекция может быть проведена в интерактивном режиме, что способствует повышению эффективности лекционных занятий.
2.2Общие рекомендации при работе с конспектом лекций
Входе лекционных занятий необходимо вести конспектирование учебного материала. Он помогает внимательно слушать и лучше запоминать в процессе осмысленного записывания. Также конспект незаменим, как опорный материал при подготовке к семинару, зачету, экзамену.
Вслучае неясности по тем или иным вопросам необходимо задавать преподавателю уточняющие вопросы. Следует ясно понимать, что отсутствие вопросов без обсуждения означает в большинстве случаев неусвоенность материала дисциплины.
2.3Общие рекомендации по изучению материала лекций и их теоретический базис
2.3.1 Раздел 1: ВВЕДЕНИЕ. Основные определения, понятия, требования, этапы и условия моделирования
Моделирование — это метод воспроизведения и исследования определенного фрагмента действительности (предмета, явления, процесса, ситуации) или управления им, основанный на представлении объекта с помощью модели, обеспечивающий близкое к оригиналу поведение, в рамках некоторых приемлемых погрешностей.
Моделирование обычно выполняется с целью познания свойств оригинала путем исследования его модели, а не самого объекта. Разумеется, моделирование оправдано в том случае, когда оно проще создания самого оригинала или, когда последний по каким-то причинам лучше вообще не создавать.
Под моделью понимается физический или абстрактный объект, свойства которого в определенном смысле сходны со свойствами исследуемого объекта. Существует ряд общих требований к моделям:
1.Адекватность – достаточно точное отображение свойств объекта;
2.Полнота – предоставление получателю всей необходимой информации об объекте;
3.Гибкость – возможность воспроизведения различных ситуаций во всем диапазоне изменения условий и параметров;
4.Трудоемкость разработки должна быть приемлемой для имеющегося времени и программных средств.
9
Моделирование – это процесс построения модели объекта и исследования его свойств путем исследования модели.
Таким образом, моделирование предполагает 2 основных этапа:
1)разработка модели;
2)исследование модели и получение выводов.
При этом на каждом из этапов решаются разные задачи и используются отличающиеся по сути методы и средства.
На практике применяют различные методы моделирования. В зависимости от способа реализации, все модели можно разделить на два больших класса: физические и математические.
Математическое моделирование принято рассматривать как средство исследования процессов или явлений с помощью их математических моделей.
Под физическим моделированием понимается исследование объектов и явлений на физических моделях, когда изучаемый процесс воспроизводят с сохранением его физической природы или используют другое физическое
явление, аналогичное изучаемому. При этом физические моделипредполагают, как правило, реальное воплощение тех физических свойств оригинала, которые являются существенными в конкретной ситуации.
Например, при проектировании нового самолета создается его макет, обладающий теми же аэродинамическими свойствами; при планировании застройки архитекторы изготавливают макет, отражающий пространственное расположение её элементов. В связи с этим физическое моделирование называют также макетированием.
Очевидно, действительная польза от моделирования может быть получена только при соблюдении двух условий:
1)модель обеспечивает корректное (адекватное) отображение свойств оригинала, существенных с точки зрения исследуемой операции;
2)модель позволяет устранить перечисленные выше проблемы, присущие проведению исследований на реальных объектах
2.3.2Раздел 1: 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ
1.1МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК МЕТОД НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ
Моделирование можно назвать основным методом исследования практически во всех
областях знаний. Особенно это относится к вопросам управления сложными системами различной физической природы, где основными являются процессы принятия решений на основе получаемой информации. Так существующие и проектируемые системы поддаются эффективному исследованию с помощью математических моделей, реализуемых на современных компьютерах, которые в этом случае играют роль инструмента экспериментатора в работе с моделью системы.
Методологической основой моделирования является общая теория моделирования, с точки зрения которой, все, на что направлена человеческая деятельность, называют объектом. Цель этой теории состоит в упорядочении и обработки информации об объектах, взаимодействующих между собой и внешней средой. Большую роль при этом играют гипотезы, т. е. некоторые предположения или догадки, основанные на небольшом количестве опытных данных, и проверяемых обычно в ходе специально поставленного эксперимента. И здесь большое значение приобретает такой метод суждения как аналогия, т. е. заключение о каком-либо частном сходстве двух объектов. Научные гипотезы создаются, как правило, по аналогии с проверенными на практике положениями. Таким образом, аналогия связывает гипотезу с экспериментом.
Гипотезы и аналогии, отражающие реальный мир, должны обладать наглядностью и сводиться к удобным для исследования логическим схемам, упрощающим рассуждения или позволяющим проводить эксперименты для уточнения природы явления. Как раз эти логические схемы и называют моделями. Другими словами, модель – это объект-заместитель объекта оригинала, позволяющий изучить некоторые свойства оригинала. Сам же процесс такого замещения называют соответственно моделированием, а занимающуюся этим научную дисциплину – теорией моделирования.
10
Роль теории моделирования в процессе познания состоит в выявлении некоторой имеющейся у модели структуры, подобной структуре изучаемого реального объекта, что позволяет при изучении модели получить некоторые знания о самом объекте. Причем, если результаты моделирования подтверждаются и могут служить основой для предсказания поведения объекта, то говорят об адекватности модели объекту.
Следует заметить, что по отношению к модели инженер-исследователь является, по сути, экспериментатором, проводящим, однако, опыт не с реальным объектом, а с его моделью. Тем не менее, такой эксперимент служит для исследователя эффективным средством познания природы,
адля инженера инструментом непосредственного решения организационно-технических задач.
2.3.3Раздел 1: 1.2 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ
Всовременных научных исследованиях моделирование позволяет по-новому описывать реальные процессы и упростить их экспериментальное изучение. Если раньше моделирование означало реальный физический эксперимент либо построение макета, имитирующего реальный процесс, то сейчас все чаще применяются виды моделирования, имеющие в своей основе постановку математического эксперимента. Причем обычно эксперимент является активным, когда наблюдатель вмешивается и организует ход изучаемого процесса.
Неотъемлемой чертой моделирования является также постоянное протекание информационных процессов. Как и в ходе реализации модели извлекается информация об объекте, так и в процессе эксперимента с моделью в нее вводятся управляющие информационные потоки. То есть информация лежит в основе всего процесса моделирования.
Вцелом же моделям больших и сложных систем присущ ряд следующих характеристик. 1. Цель функционирования, определяющая поведение модели М, и разделяющая модели
соответственно на одноцелевые и многоцелевые.
2. Сложность, идентифицируемая по целому ряду признаков. Например, по общему числу элементов системы и связей между ними или же по разнообразию элементов, объединяемых в те или иные уровни иерархии.
3.Целостность, указывающая на то, что создаваемая модель М сама является сложной системой S(M), включающая большое количество взаимодействующих друг с другом частей.
4.Неопределенность, проявляемая системой в смысле возможности достижения поставленной цели, методов решения задач, достоверности исходной информации и т. д. Причем мерой любой неопределенности служит такая величина как энтропия, позволяющая в ряде случаев оценить минимальное количество управляющей информации, необходимое системе.
5.Поведенческая страта (т. е. группа или слой), оценивающая эффективность достижения системой поставленной цели, а также точность и достоверность получаемых при эксплуатации модели результатов.
6.Адаптивность, являющаяся свойством высокоорганизованных систем и состоящая в приспособлении системы к изменениям воздействий внешней среды.
7.Организационная структура системы моделирования, зависящая от сложности модели и степени совершенства средств моделирования.
8.Управляемость модели, необходимая для рассмотрения различных условий протеканий имитируемых процессов.
9.Возможность развития модели, вытекающая из развития систем моделирования и позволяющая исследовать многие стороны функционирования реального объекта.
Одной из главных проблем при моделировании систем является выбор цели, т. к. подобие протекающего в модели процесса реальному процессу является лишь условием правильного функционирования модели. А потому в качестве цели следует ставить задачу изучения какой-либо стороны функционирования объекта.
Следует отметить также, что изучаемый объект и его модель сходные по одним признакам, вполне могут быть различны по другим, что обеспечивает фиксацию и исследование лишь некоторых свойств реального объекта.
11
В общем же говоря о моделировании необходимо учитывать, что от постановки задач моделирования до интерпретации полученных результатов нужно решить целый ряд сложных научно-технических проблем, среди которых можно выделить следующие: идентификацию реальных объектов, выбор вида модели, построение модели и ее машинную реализацию, взаимодействие исследователя с моделью в ходе машинного эксперимента, проверку правильности полученных при моделировании результатов, выявление основных закономерностей, полученных в процессе моделирования. В зависимости от объекта моделирования и используемой модели все эти проблемы могут иметь различную значимость.
2.3.4 Раздел 1: 1.3 КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ
Все виды моделирования можно классифицировать по ряду признаков (рис. 1.1.), самые очевидные из которых это признаки изучаемого процесса. Так в зависимости от того является ли моделируемый процесс детерминированным (т. е. описывается определенной функциональной зависимостью) или случайным моделирование делят соответственно на детерминированное и стохастическое. Описывается ли объект в какой-либо фиксированный момент или рассматривается его поведение во времени, различают соответственно моделирование статическое и динамическое. Также по поведению процессов различают дискретное и непрерывное моделирование.
Дискретное моделирование служит для описания процессов, которые предполагаются дискретными, соответственно непрерывное моделирование позволяет отразить непрерывные процессы в системах, а дискретно-непрерывное моделирование используется для случаев, когда хотят выделить наличие как дискретных, так и непрерывных процессов.
Далее виды моделирования могут быть разделены по форме представления объекта соответственно на мысленное и реальное.
Рис. 1.1 – Классификация видов моделирования систем
Мысленное моделирование является единственным способом для реальных объектов, которые практически не реализуемы в заданных условиях или в заданном интервале времени. Мысленное моделирование в свою очередь делится на наглядное, символическое и математическое часто является единственно возможным ввиду затруднения физической реализуемости возможных исследуемых ситуаций, что может быть, например, в микроклимате.