Черніков Олександр Вікторович. Геометричне та комп'ютерне моделювання динаміки процесів зміни об'єктів під впливом заданих чинників (на прикладі фільтрування) : Дис... д-ра наук: 05.01.01 - 2008.
Анотація до роботи:
Черніков О.В. Геометричне та комп'ютерне моделювання динаміки процесів зміни об'єктів під впливом заданих чинників (на прикладі фільтрування). – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.01.01 – „Прикладна геометрія, інженерна графіка”. – Київський національний університет будівництва та архітектури. – Київ, 2008.
Дисертація присвячена створенню методології геометричного моделювання перебігу фізичних процесів та розв’язанню на визначених засадах завдань прогнозування та управління цими процесами. Як практична реалізація проведених досліджень, запропонована оптимізація технологічного процесу фільтрування суспензій на камерних фільтр-пресах (ФП) з вертикальним розташуванням фільтрувальних плит та впровадження розроблених методик в процес проектування та експлуатації фільтрувального обладнання в промисловості, комунальному господарстві та ін.
На основі запропонованих та здійснених експериментів по фільтруванню суспензій, аналізу їх результатів виявлено, що саме геометричні характеристики шару утворюваного осадку та зміна форми і площі поверхні фільтрування (її зменшення) є причиною розбіжностей в теорії та практиці розрахунку ФП. В результаті детального аналізу проведених експериментів з фільтрування та утворення шару осадку запропоновано поняття про сім’ї квазі-еквідистантних нормально-зсунутих кривих та поверхонь першого та другого виду. Їх застосування дозволило окремо враховувати вплив різних чинників, під дією яких відбувається досліджуваний процес.
Розглянуто конформні перетворення, що дозволяють будувати відображення картин фізичних полів між заданими областями. Застосування цього апарату дозволило привести у відповідність час утворення шару осадку заданої товщини у замкненій камері вертикальних фільтрувальних плит з класичною теорією утворення осадку на горизонтальній площині, та дало змогу виконувати розрахунки продуктивності й пропонувати оптимальні режими роботи камерних ФП з вертикальним розташуванням фільтрувальних плит.
На базі одержаних в результаті експериментального фільтрування параметрів запропонована САПР для розробки тривимірної моделі та габаритного креслення ФП. Результати впроваджені в розробці проектної документації та виготовленні ФП для різних галузей промисловості. Результати роботи також впроваджені в навчальний процес при викладанні курсу комп’ютерної графіки та основ геометричного моделювання.
В дисертаційній роботі розроблена методологія застосування геометричного моделювання при дослідженні фізичних та технологічних процесів, в яких суттєвим компонентом є зміна форми об’єктів протягом часу (зокрема, форми шару осадку при фільтруванні багатодисперсних суспензій в металургійній, хімічній, харчовій промисловості, енергетиці, а також при очищенні стічних вод в комунальному господарстві). Запропонована САПР розрахунку фільтр-пресів для впровадження цієї методології на підприємствах.
В дисертації отримано наступні основні результати, що мають науково-практичну цінність:
На основі детального аналізу існуючих підходів до геометричного моделювання різноманітних природничих та технологічних процесів обґрунтовано актуальність дослідження та системного розгляду таких з них, в яких геометрія об’єкту (його границі) змінюється протягом часу під дією заданих чинників. Виявлено основні проблеми моделювання та оптимізації технологічних процесів, які пов'язані з їх складністю та необхідністю врахування та параметризації умов та режимів плину процесів.
Огляд конструкцій найбільш поширених фільтр-пресів в різних галузях промисловості дозволив визначити недоліки класичної теорії розрахунку цього обладнання, яка була розроблена для апаратів з горизонтальним розташуванням фільтрувальних плит, при розрахунках та проектуванні камерних фільтр-пресів з вертикальним розташуванням фільтрувальних плит – найбільш оптимальних сучасних апаратів для розподілу суспензій.
Вперше запропоновано експериментальну установку та проведено низку експериментів, які дозволили визначити характер та геометричні параметри зменшення ефективної площі поверхні фільтрування для певного класу суспензій. На основі запропонованих і здійснених експериментів та аналізу їх результатів вперше виявлено, що саме геометричні характеристики шару утворюваного осадку та зміна форми і площі поверхні фільтрування (її зменшення) є причиною розбіжностей в теорії та практиці розрахунку фільтр-пресів.
Виконано системний аналіз основних особливостей утворення осадку, виділено два основних чинники процесу: рух рідини та зважених в ній частинок твердої фази у напрямі, перпендикулярному поточній (миттєвий) поверхні фільтрування та осадження частинок під дією сили тяжіння. Визначено, що основною задачею геометричного моделювання процесу утворення шару осадку є моделювання кривих та поверхонь, що обмежують поточну границю розподілу фаз. Від раціонального вибору максимально припустимої товщини шару осадку залежить ефективність роботи фільтрувального обладнання (в тому числі – запобігання аварійним становищам та економія енергоресурсів).
Модель утворення шару осадку розглянуто на базі застосування апарату аналітичної та конструктивної геометрії. Досліджені дискретний та неперервний спосіб моделювання таких кривих та поверхонь. У зв’язку зі складністю аналітичних виразів для комп’ютерної реалізації рекомендовано дискретний підхід. Також зроблено висновок про необхідність удосконалення аналітичних методів для використання комп'ютерних технологій та проведення віртуального (комп’ютерного) моделювання.
Вперше запропоновано поняття про сім’ї квазі-еквідистантних нормально зсунутих кривих та поверхонь першого та другого виду. Їх застосування дозволяє окремо враховувати вплив різних чинників, під дією яких протікає досліджуваний процес. Вперше запропоновано використовувати апарат квазі-еквідистантних кривих для побудови кривих в перерізах поточної поверхні фільтрування.
Запропонована методика, реалізовано алгоритм та комп’ютерну програму, що дозволяє оцінювати зміну форми поверхні та її площі (вигляду кривої та її довжини в поперечних перерізах поверхні), що розподіляє фази певної гетерогенної системи, протягом часу під дією заданих чинників, та вплив цієї зміни на продуктивність фільтр-пресу.
Розвинуто методи побудови картин фізичних полів для моделювання кількох джерел та стоків із застосуванням функцій комплексної змінної. Реалізовано комп’ютерний алгоритм побудови картини поля, коли джерело та/або стік задані кривою лінією. Як важливе застосування комплекснозначних функцій, розглянуто конформні перетворення, які дозволяють будувати відображення картин фізичних полів між заданими областями.
Відзначено, що в літературі з конформних перетворень розглядаються образи або ортогональної, або полярної сітки. Для комп’ютерного дослідження інших сімей кривих була розроблена програма, в якій для підвищення швидкодії відокремлені дійсна та уявна частини. Це дозволило вперше отримати нові сім’ї кривих за допомогою як математичного процесору Maple, так і за допомогою мови програмування AutoLISP в середовищі графічного пакету AutoCAD.
Виконано розрахунки продуктивності та запропоновані оптимальні режими роботи камерних фільтр-пресів з вертикальним розташуванням фільтрувальних плит. На основі застосування апарату конформних перетворень приведено у відповідність методику розрахунків часу утворення шару осадку заданої товщини у замкненій камері вертикальних фільтрувальних плит з класичною теорією.
Вперше запропоновано метод дослідження сімей кривих на основі сканування поперечних перерізів утвореного осадку з добавкою суспензії-барвника та подальшої комп’ютерної обробки цієї інформації, який дозволяє отримувати дані про характер утворення граничних кривих плоских областей та відновлювати поточну поверхню фільтрування. Використання цього методу дає змогу отримувати картину утворення шару осадку в камерах реальних фільтрувальних апаратів.
Ключовим питанням при проектуванні фільтрувального обладнання даного класу є визначення геометричних параметрів: максимальної товщини шару осадку, при якій фільтрування ще відбувається з достатньою ефективністю та ефективної площі поверхні фільтрування для забезпечення заданої продуктивності ділянки фільтрування. За цими параметрами визначається оптимальний типорозмір фільтрувальних плит.
На базі одержаних в результаті експериментального фільтрування параметрів вперше запропонована САПР для розробки габаритного креслення фільтр-преса. Зазначено, що розрахунок продуктивності та вибір основних геометричних параметрів фільтрувального апарату мають бути пов'язаними з аналізом масоперенесення у фільтрувальних плитах, з урахуванням граничних умов щодо тиску, температури суспензії, гранулометричного складу.
На підставі проведених досліджень розроблено й затверджено проектну документацію на фільтр-преси, виготовлено низку апаратів для цукрових заводів, ТЕЦ та ін., що підтверджено відповідними актами впровадження. Результати роботи також впроваджені в навчальний процес кафедри інженерної та комп’ютерної графіки ХНАДУ при викладанні курсу комп’ютерної графіки та основ геометричного моделювання.
Подальшими напрямками досліджень є удосконалення геометричної моделі процесів утворення / зміни границь об’єктів в різноманітних природничих та технологічних процесах, розвиток методів комп’ютерного моделювання цих процесів та більш широке розповсюдження запропонованих підходів для моделювання просторових систем, системне дослідження та прогнозування розвитку складних природничих процесів.
Публікації автора:
Сазонов К.А., Анпилогова В.А, Черников А.В. Формирование твердотельной модели проектируемых объектов //Прикл. геометрия и инж. графика. – Киев: КГТУСА, 1994. – Вып. 57. – С. 37 – 41.
Черников А.В., Анпилогова В.А. Построение поверхности по граничным кривым, заданным на треугольном плане. //Вестник Харьковского государственного автомобильно-дорожного технического университета. Сборник научных трудов. Вып. 2. – Харьков, ХГАДТУ, 1995.– с. 27-29.
Черніков О.В., Черніков В.А., Гуторов В.М., Моісєєв В.С. Спосіб автоматичного керування фільтр-пресом та пристрій для його здійснення //Пат. 66829 Україна, МПК 7 B 01 D 37/04. ДДІВ. – №2000074144; Заявл. 13.07.2000; Опубл. 15.06.2004; Бюл. №6. – 7с.
Михайленко В.Є., Черніков О.В. Сучасний стан методів геометричного та комп'ютерного моделювання та напрямки їх розвитку //Прикл. геометрія та інж. графіка. – Київ: КНУБА, 2001. – Випуск 68. – С. 3-6.
Черников А.В. Геометрическое моделирование процессов образования осадка при фильтровании //Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний ін-т”: Зб. наук. праць. Тем. випуск: Хімія, хімічна технологія та екологія. – Харків: НТУ “ХПІ”, 2001. – №3. – С. 246-249.
Черніков О.В. Аналіз сучасних методів твердотільного моделювання //Прикл. геометрія та інж. графіка. – К.: КНУБА, 2001. – Вип. 69. – С. 105-107.
Chernikov A.V. Problems and Opportunities of Geometrical Modeling of Physical Processes //The Applied Geometry and Engineering Graphics (The Interdepartmental Collection of Proceedings). – К.: KNUBA, 2002. – Iss. 70. – PP. 273-277.
Черников А.В. Геометрические особенности фильтрования на камерных фильтр-прессах //Вестник Херсонского гос. техн. ун-та (Материалы X междунар. конф. по мат. моделированию /9-14 сент. 2002/). – Херсон: ХГТУ, 2002. – Вып. 2(15). – С. 493-496.
Черников А.В. Лабораторная установка для изучения процессов образования осадка в замкнутых объемах камерных фильтр-прессов. //Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний ін-т": Зб. наук. праць. Тем. випуск: Хімія, хімічна технологія та екологія. – Харків, НТУ "ХПІ", 2002. – №9, т.2. – С. 113-116.
Черников А.В., Черников В.А., Моисеев В.С., Гуторов В.М. Способ автоматического управления фильтром периодического действия и установка для его осуществления //Пат. 2203723 Россия, МКИ 7 B 01 D 37/04. ФИПС. – №2002114239; Заявл. 30.05.2002; Опубл. 10.05.2003; Бюл. №13. – 8 с.
Черніков О.В. Дослідження процесу утворення осадку при фільтруванні //Прикл. геометрія та інж. графіка. – К.: КНУБА, 2002. – Вип. 71. – С. 110-113.
Черніков О.В. Задача моделювання границі об'єкта, що змінюється, за даними експерименту //Геометричне та комп’ютерне моделювання: Зб. наук. праць – Харків, ХДАТОХ, 2002. – Вип. 1. – С. 67-70.
Черніков О.В. Моделювання полів швидкостей частинок при фільтруванні за допомогою функцій комплексного змінного //Геометричне та комп’ютерне моделювання: Зб. наук. праць – Харків, ХДАТОХ, 2002. – Вип. 2. – С. 51-54.
Черніков О.В. Моделювання кривих в перерізах поточної поверхні фільтрування //Прикл. геометрія та інж. графіка. К.: КНУБА, 2003. – Вип. 72. – С. 72-77.
Черников А.В. Анализ погрешностей, возникающих при определении констант фильтрования //Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут": Зб. наук. праць. Тем. випуск: Хімія, хімічні технології та екологія. – Харків, НТУ "ХПІ", 2005. – № 27. – С. 147-152.
Черников А.В. Моделирование границ 3-D объектов, меняющихся во времени под действием заданных условий (на примере фильтрования) //Геометричне та комп’ютерне моделювання: Зб. наук. праць – Харків: ХДУХТ, 2005. – Вип. 11. – С. 81-84.
Черніков О.В. Геометричне та комп’ютерне моделювання процесу фільтрування //Зб. наук. праць. Доповіді ІІ Кримської науково-практичної конф. “Геометричне та комп'ютерне моделювання: енергозбереження, екологія, дизайн”. – К.: Київський нац. ун-т технологій та дизайну, 2005. – С. 168-171.
Черніков О.В. Про одну сім'ю квазі-еквідистантних кривих //Геометричне та комп’ютерне моделювання: Зб. наук. праць – Харків: ХДУХТ, 2005. – Вип. 10. – С. 70-73.
Михайленко В.Є., Черніков О.В. Алгоритми комп’ютерного моделювання границі шару, що змінюється у часі під дією заданих чинників (на прикладі фільтрування) //Прикл. геометрія та інж. графіка. – К.: КНУБА, 2006. – Вип. 75. – С. 3-9.
Черников А.В. Геометрические модели в исследованиях физических и технологических процессов //Геометричне та комп’ютерне моделювання: Зб. наук. праць – Харків: ХДУХТ, 2006. – Вип. 17. – С. 159-163.
Черников А.В. Прикладная геометрия динамических формообразований //Системні технології. Регіональний міжвузівський Зб. наук. праць. – Вип. 3 (44). – Дніпропетровськ, 2006. – С. 167-172.
Черніков О.В. Визначення відстаней між елементами сім’ї квазі- еквідистантних нормально-зсунутих кривих //Геометричне та комп’ютерне моделювання: Зб. наук. праць – Харків: ХДУХТ, 2006. – Вип. 15. – С. 78-82.
Черніков О.В. Основні напрямки геометричного та комп’ютерного моделювання фізичних та технологічних процесів //Геометричне та комп’ютерне моделювання: Зб. наук. праць – Харків: ХДУХТ, 2006. – Вип. 19. – С. 168-182.
Черніков О.В. Про визначення зміни довжини кривої при конформному перетворенні кола на багатокутник //Геометричне та комп’ютерне моделювання: Зб. наук. праць – Харків: ХДУХТ, 2006. – Вип. 14. – С. 52-56.
Михайленко В.Є., Черніков О.В. Застосування конформних перетворень при моделюванні меж об’єктів, що змінюються у часі //Прикл. геометрія та інж. графіка. – К.: КНУБА, 2007. – Вип. 77. – С. 3-8.
Chernikov A.V. The geometrical and computer modeling of а the physical processes in industries //Proceedings of the 10th International Conference on Geometry and Graphics (Kyiv, Ukraine, July 28 – August 2, 2002). – Vol. 2. Pp. 223-226.
Chernikov A.V. The Geometric Simulation of the Cake Formation Processes (by the example of industrial filtration) //Proceedings Of The International Conference On Engineering Education “Global Education Interlink” ICEE’2005. – July 25-29, 2005, Gliwice, Poland. – Vol. 2. – P. 826-829.
Moiseev A.V., Chernikov A.V. Problems of design and implementation of the filtering equipment for municipal drains treatment and dehydration of water-treatment stations deposits //Proceedings Of The Second Baltic Symposium on Environmental Chemistry “Kalmar ECO-TECH ’05: Waste to Energy, Bioremediation and Leachate Treatment”. – November 28-30, 2005, Kalmar, Sweden. – P. 567-570.
Chernikov A.V. Computer aided geometric modeling of real-time changing borders on the example of filtering cake formation //Proceeding of the International conference on engineering education, ICEE-2007 – Coimbra, Portugal. – September 3-7, 2007
Черников А.В., Черников В.А. Использование камерных фильтр-прессов с вертикальными плитами верхней подвески для обезвоживания осадков очистных сооружений //Материалы Международного симпозиума "Современные процессы для обработки сточных вод и обезвоживания шламов". – Москва, НИИХимМаш, 3-5 апреля 2001. – С. 16-17.
Черніков О.В. Геометричне моделювання фізичних процесів //Сучасні проблеми геометричного моделювання. Зб. праць міжнародної науково- практичної конф. – Харків, ХДАТОХ, 10-12 травня 2001. – С. 84-86.
Черников А.В., Богдан Д.И. Модуль создания цилиндрических косозубых колес в Autodesk Mechanical Desktop //Графика ХХI века: тез. докладов VI Всеукраинской студ. научно-техн. конф. (7-9 октября 2003 г.) – Севастополь: СевНТУ, 2003. – С. 97-99.
Солодов В.Г., Черников А.В., Хандримайлов А.А. Моделирование газового течения во впускной системе ДВС //Графика ХХI века: тез. докладов VII Всеукраинской студ. научно-техн. конф. (5-7 октября 2004 г.). – Севастополь: СевНТУ, 2004. – С. 83-86.
Черников А.В., Черников В.А. Автоматические фильтр-прессы ЧМ //Химическое и нефтегазовое машиностроение (международный научно-техн. и производственный журнал). – М., 2004. – №1. – С. 4-7.
