Файловый архив студентов. Файловый архив студентов.
1261 вуз, 4607 предмет.
/ Регистрация
FAQ Обратная связь Вопросы и предложения
Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Воронежский государственный технический университет
Предмет:
[НЕСОРТИРОВАННОЕ]
Файл:

3778

.pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
15.36 Mб
Скачать
☆

 

1

 

V

U

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

; V

 

 

 

; U

 

 

 

.

 

 

r

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

r r

r z

 

Тогда

система

 

 

 

 

 

дифференциальных

уравнений

Ошибка! Источник ссылки не найден. – Ошибка! Источник ссылки не найден.

принимает следующий вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 1 2

 

 

 

 

 

 

 

U

 

 

 

 

V

 

 

 

Gr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

,

 

 

 

 

 

z

 

 

 

z2

 

 

 

 

 

 

r

2

 

r2

z

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

r r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

1

 

 

 

2

 

r2 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r r

 

 

 

 

 

 

z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1 1

 

1

 

r

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r r z r z r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pr r

 

 

 

 

 

 

z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

r

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Граничные условия имеют следующий вид.

На внутренней сферической поверхности r R движение отсутствует

0,r z

На внутренней стенке имеет место равенство потоков

A

s

 

Г

 

 

 

 

Г

.

r

 

r

 

 

1

 

 

1

На оси OZ выполняется условие симметрии

0.r

Предположим, что движение на оси симметрии отсутствует

0.

На внешней границе

s

 

 

 

 

 

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

r

R

 

A

 

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

Построим разностную сетку, где каждому узлу будут присваиваться теплофизические параметры жидкости или стенки и будет определяться температура , а также поля теченийи вихря в каждый момент времени (рис. 2). При этом безразмерная температура будет иметь следующие индексы: (ri, zj, τk), где i=0,1,2,…n; j=0,1,2..n, n+1,…,2n [5].

121

Количество шагов по времени определяется следующим соотношением:

k

 

,

(15)

 

где τ – длительность процесса, τ – шаг по времени.

Шаги разностной сетки выбираются из следующего условия устойчивости [2]

Pr

 

 

.

4

min( r2 z2)

 

 

Решение задачи (1) – (5) выполняется конечно–разностным методом на сетке r ri ,

Z zi . Узлы сетки определяются разбиением полусферы на 2n равных частей [6].

Z

 

 

 

 

 

Z2n

 

 

 

 

 

Zn

 

 

 

 

 

Z2

 

 

 

 

 

Z1

 

 

 

 

 

Z0

r0

r1

r2 r3

r6

r

Рис. 2. Схема разностной поперечной сетки для внутренних точек шара при n=6

Граничные точки разностной сетки находятся на внутренней границе шара. Разностные аналоги уравнений (6), (7), (8) имеют соответственно вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

k

 

 

 

 

 

k

 

 

k

 

 

 

 

k

 

 

k

k

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i 1,j i,j

 

i,j

i 1,j

 

 

 

i,j 1

i,j

 

i,j

i,j 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k 1

 

1 ik j ik,j

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

zj

zj 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i,j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

r

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

j

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

i

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

k

 

 

k

 

k

 

 

k

 

t

 

 

k

 

 

k

 

k

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i, j

 

i, j

 

i, j

i, j

i

 

 

i, j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i 1, j

 

 

 

 

 

 

i, j

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1, j

 

 

ik, j ,

 

 

 

(6’)

ri

 

 

ri

 

 

 

 

 

 

zj

 

 

ri

 

 

 

 

zj

 

 

 

 

 

 

ri

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

122

 

 

 

1

 

 

 

 

k

 

k

 

 

 

 

 

k

 

 

k

 

1

 

 

 

 

 

k

 

 

 

k

 

 

k

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

i,j 1 i,j

 

i 1,j i,j

 

 

 

i 1,j

i,j

 

i,j 1

i,j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k 1

 

ri

 

 

 

 

 

 

zj

 

 

 

 

 

 

 

ri

 

 

ri

 

 

 

 

 

 

 

ri

 

 

 

 

 

zj

 

 

i,j

 

 

 

 

 

 

 

ik 1,j ik,j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

k

 

k

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i 1, j i,j

 

i, j

i 1,j

 

 

 

 

 

 

 

k

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i 1

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i 1,j

 

 

i,j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ri

 

 

 

 

 

 

 

 

ri

 

 

ri

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

k

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i,j ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i,j 1

i,j

 

 

i,j i,j 1

 

 

 

 

 

 

k

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

j

 

 

z

j 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gr

i 1,j

 

 

 

i,j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zj

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ri

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

ri

 

 

 

 

 

 

 

ri

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

ri

 

 

 

 

 

ri i,j

 

 

 

 

i 1, j

 

 

 

 

i 1,j

 

 

i 1,j

 

 

i, j 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ri

2

 

 

 

 

 

ri

 

 

 

 

ri ri 1

 

 

 

 

 

 

zj

 

 

 

 

 

 

ri

 

 

 

i,j 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zj zj 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i,j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

r

1

 

r

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

i

 

 

 

 

i

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

r r

r

z

 

 

z z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

i i 1

 

 

i

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

j j 1

 

 

 

 

(7’)

(8’)

где индексы сферической сетки принимают значения i = 1,2,…n; j = i+1…2n.

Разностные аналоги граничных условий для тока и вихря на внутренней сферической поверхности имеют вид [7]:

 

 

 

 

 

 

 

 

ij 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

при r;z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ij

 

i

j

 

1

 

 

 

 

На оси 0Z выполняется условие симметрии:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0j 0j

0

 

(16)

 

 

 

 

1,j 0j

 

 

0j

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r0

 

 

1j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разобьем область D2 линиями

 

R rs, где rs

 

, и лучами j , где

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

j

j ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

123

Разностный аналог уравнения (9) имеет вид:

Г2

D1

Г1

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

k

 

 

k

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rs2

2 si 1,j

si, j

rs2

2 si, j

si 1, j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

rsi

 

i 1

 

sri 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k 1

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rsi2 rs

 

 

 

 

 

 

 

 

i,j

i, j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

A t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

si,j

,(6’)

 

 

 

 

 

 

 

si,j 1 si, j

 

 

si, j

si, j 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin j

sin j 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где индексы сетки принимают значения i=1..m-1, j=1..2n-1, индекс i=0 соответствует внутренней границе оболочки, m – внешней [8].

На внешней границе оболочки уравнение Ошибка! Источник ссылки не найден. аппроксимируется следующим образом:

sk 1

 

rs

sk 1

.

(14')

 

m, j

 

A

m 1, j

 

 

 

 

 

 

 

Т.к. нормаль n направлена по радиусу в направлении центра шара и исходя из условия равенства тепловых потоков на внутренней поверхности оболочки [9], на внутренней поверхности получим следующие разностные уравнения:

 

 

 

cos(

 

 

i

)

 

 

 

 

 

cos

i

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n

 

 

 

 

 

 

k 1

2

 

 

2n

k 1

 

 

 

 

sk 1

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k 1

 

i 1,i

 

 

 

 

 

 

 

i,i 1

 

z

j

 

 

1,i rs

 

 

 

 

 

 

i 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1) i,i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ri 1

 

 

 

 

 

zj

 

 

rs

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где индексы сетки принимают значения i–1..n

124

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

cos(

)

 

 

 

 

cos

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k 1

 

 

2n

k 1

 

 

 

2

 

 

2n

sk 1

 

 

 

 

r

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

rs

 

 

 

 

i 1,2n i

 

 

 

i,2n i 1

2n i 1

 

 

 

112n i

 

2)

k 1

 

 

 

i 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

i,2n i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

 

 

cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n

 

2

 

 

2n

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

ri 1

 

 

 

 

 

 

 

rs

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2n i 1

 

 

 

 

 

 

 

где индексы сетки принимают значения i–1..n-1

3)В точках сетки, где индексы сетки принимают значения i–0, j–0,2n на внутренней поверхности оболочки:

k0,01 k0,11 rs A s1k,01 z0

rs A z0

k 1 0,2k 1n 1 rs A s1,2k 1n z2n 1

0,0

rs A z2n 1

1. Аппроксимация задачи выполняется на неравномерной сетке Z zj , r ri , t tk ,

которая аналогично [3] строится разбиением полуокружности на 2n частей. Остальное разбиение выполняется с использованием полученных узлов. Такой выбор сетки позволяет снять проблему сноса граничных условий, так как граничные точки всегда лежат на окружности. Шаг по времени выбирается в процессе работы вычислительной программы, исходя из требований устойчивости.

2. Решение разностной системы выполняется следующим образом:

а) определяется безразмерная температура ik,j в оболочке и на ее границе по формулам (6’), (17);

б) определяются поля температур ik,j и вихря ik,j внутри емкости и на оси симметрии (9’), (7’), (16);

в) определяется ik,j , на внутренней поверхности емкости (15);

г) значение функции тока ik,j определяется из разностного уравнения неразрывности

(8’) методом установления.

Данная методика вычислительного эксперимента позволяет определять поля температур, течения и скоростей в различных сечениях рассматриваемой шарообразной емкости в любой заданный момент времени, т.е. описывает нестационарные процессы, протекающие при заданных условиях. Смоделирован полностью заполненный шарообразный бак для безопасного хранения и транспортировки криогенной жидкости.

Литература

1.Кожухова, Е. А. Математическое моделирование теплообмена в цилиндрической емкости с полусферическими днищами / Е.А. Кожухова, А.Ю. Трошин // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: труды 21-й научно-технической конференции. - Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2019. - С. 3-14.

2.Хороший, А. Е. Регулирование температуры теплоносителя в зависимости от изменений температуры наружного воздуха / А. Е. Хороший, А. Ю. Трошин // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: труды 20-й научно-технической конференции. - Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2018. - С. 143-148.

3.Кожухова, Е. А. Моделирование тепломассопереноса в замкнутой газожидкостной емкости при перемещении границы раздела фаз / Е. А. Кожухова, А. Ю. Трошин // Физико-технические проблемы

125

энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: труды 20-й научно-технической конференции. - Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2018. - С. 60-66.

4.Трошин, А. Ю. Математическое моделирование процессов тепломассопереноса при перемещении границы раздела фаз и наличии стока жидкости // Энергетика и энергосбережение: теория и практика: Материалы III Всероссийской научно-практической конференции. - Кемерово: Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, 2017. – 178 с.

5.Трошин, А. Ю. Математическое моделирование термогидродинамических процессов происходящих

встационарно расположенном горизонтальном цилиндрическом баке, а также при его повороте на заданный угол вокруг оси симметрии // Комплексные проблемы техносферной безопасности: Материалы Международной научно-практической конференции. - Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017. - С. 125-129.

6.Трошин, А. Ю. Теплотехника: уч. пособие. - Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2012. - С. 230.

7.Трошин, А. Ю. Моделирование процессов тепломассопереноса в замкнутой шарообразной криогенной емкости с изменяющейся цилиндрической вставкой / А. Ю. Трошин, К. Г. Хрипунов // Вестник воронежского государственного технического университета. - Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2012. - С. 63-66.

8.Трошин, А.Ю. Математическая модель, описывающая процессы тепломассопереноса в замкнутой сферической газожидкостной ёмкости // Техника машиностроения. – М.: Научно-техническое предприятие

"Вираж-Центр", 2006. – С. 45-47.

9.Трошин, А.Ю. Моделирование нестационарного конвективного тепломассопереноса в горизонтальной закрытой газожидкостной цилиндрической емкости: дис. … канд. техн. наук: 01.04.14 / Трошин Алексей Юрьевич. – Воронеж, 2001. - 114 с.

Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Е. А. Kozhukhova, А. U. Troshin, L. N. Zvyagina, К. G. Khripunov

MATHEMATICAL MODELING OF SAFE STORAGE AND TRANSPORTATION

OF CRYOGENIC FUEL OF A SPHERICAL CAPACITY

A spherical tank was simulated for safe storage and transportation of cryogenic liquid, temperature, flow and velocity fields in various sections were determined, non-stationary processes occurring under given conditions were described

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

УДК 614.8:004.891

А. Ю. Семейкин, И. А. Кочеткова, Е. А. Носатова, Л. В. Воловикова

ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОЦЕНКИ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ РИСКОВ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

В данной статье рассмотрены перспективы внедрения современных цифровых технологий для оценки и управления профессиональными рисками на промышленных предприятиях. Показано, что только использование цифровых решений для систем менеджмента безопасности и охраны труда HSE дают реальную возможность контролировать индикаторы производственных процессов, состояние работников и таким образом оценивать, прогнозировать и управлять профессиональными рисками. Приведены сведения о разработках БГТУ им. В.Г. Шухова в области информационных и цифровых решений для менеджмента безопасности труда

Ежегодно в России количество пострадавших в несчастных случаях на рабочих местах составляет до 20000 – 25000 человек (за 2018 год 23597 по России в целом, 318 – по Белгородской области) [1, 2]. Человек, как уже установлено, является наиболее уязвимым элементом в производственной системе. Для него характерны как ошибки управления, так и

126

ошибки исполнения, которые чаще всего обнаруживаются впредаварийных ситуациях или в сложных обстоятельствах, когда времени на выбор правильного решения остается крайне мало или практически нет. Ошибки могут формироваться неблагоприятными факторами производственного процесса, отсутствием или недостатком информации, не соответствием профессиональных и личностных качеств работника [2, 3, 4].

Решить задачу снижения уровня производственного травматизма и управления безопасностью труда (профессиональными рисками) можно путем исключения человеческого фактора с учетом динамики изменения всех влияющих на нее факторов (условий труда и действий работника). Инструментом управления безопасностью труда может стать использование современных цифровых решений в составе комплексной информационно-аналитической системы управления предприятием.

К цифровым технологиям, которые уже нашли свое применение во многих технологических процессах и имеют огромные перспективы использования в системах HSE (охраны труда и промышленной безопасности) относятся технологии интернета вещей (IoT), дополненной и виртуальной реальности (AR и VR), носимые сенсорные устройства для контроля состояния работников, технологии искусственного интеллекта и блокчейна, облачных вычислений, предиктивной аналитики, больших данных (Big Data), биометрия, автоматизация и роботизация производства.

В системах менеджмента HSE могут найти применение различные виды защитной одежды с цифровыми датчиками, мобильные приложения для аудитов и сообщениях о происшествиях, средства мониторинга безопасности движения и дистанционного контроля на транспорте, датчики мониторингазагрязненности воздуха рабочей зоны [5 – 10], системы обучения на основе виртуальной реальности, беспилотные летательные аппараты для контроля состояния промышленных объектов. На рис. 1 показано распределение применения указанных технологий в реальных производствах [11]. Согласно приведенным данным только на 9 – 13 % процентах предприятий применяют СИЗ, оснащенные современными устройствами дистанционного контроля параметров окружающей среды и состояния работника. Системы виртуальной реальности для обучения используют 10 % предприятий. Чаще всего в настоящее время используют мобильные приложения и специальные информационные системы для аудитов безопасности и сообщений о происшествиях.

Рис. 1. Анализ использования современных цифровых решений в системах менеджмента HSE

127

Внастоящее время на предприятиях России делаются первые шаги по внедрению таких технологий в системы менеджмента производственных процессов и охраны труда. Так на предприятиях госкорпорации «Ростех» планируется к внедрению в 2020 годуавтоматизированная система «Управление промышленной безопасностью, охраной труда, охраной окружающей среды организации и транспортной безопасности» [12]. В задачи системы будет входить удаленный мониторинг различных показателей в этих сферах,

атакже сбор и анализ данных для формирования отчетной и аналитической документации. Отмечается, что с внедрением новой системы значительно упростится процесс контроля за устранением нарушений, а также создаст дополнительные возможности в профилактических мероприятиях по предупреждению производственного травматизма и нарушений требований безопасности.

ВПАО «Газпром нефть» проходят пилотные испытания касок, оснащенных датчиками контроля медицинских показателей работников, онлайн-трекинга, акселерометрами и т.д. Также проходят испытания 3D системы навигации по промышленным объектам [13].

Технологии интернета вещей дают возможность управлять рисками здоровья персонала. На базе статистики показателей сердечно-сосудистой системы, дыхательной активности, показателей гемодинамики возможно определение нормы для каждого работника и в случаях значительных отклонений от нормы – автоматическое оповещение оператора. Мониторинг показателей здоровья позволяет значительно снизить риски, связанные с развитием профессиональных заболеваний. Сенсоры, встроенные в СИЗ или средства интеллектуального видеонаблюдения позволяют автоматизировать удаленный мониторинг их использования и снизить, таким образом, риск получения травмы по причине неиспользования СИЗ [13]. В ведущих университетах ведутся работы, связанные с разработкой «умных» СИЗ [14, 15].

На рис. 2 представлена кривая «зрелости» цифровых технологий, которые могут использоваться в системах менеджмента HSE [11]. В соответствии с ней видно, что наибольшую практическую значимость имеют разработки и применение датчиков контроля местоположения работника, идентификации личности, разработка интегрированных программных платформ (экспертных систем), системы обучения с использованием виртуальной реальности.

128

Рис. 2. Кривая зрелости цифровых технологий HSE [11]

Внастоящее время разработаны экспертные системы для оценки вероятности несчастных случаев на производстве при эксплуатации технологических и человекомашинных систем (включая опасные производственные объекты), а также параметров надежности и безопасности сложных технических систем.

За рубежом ведется работа по созданию моделей небезопасного поведения для сотрудников на основе анализа показателей их поведения и рабочей среды, таких как уровень управленческого контроля, условия труда, система управления безопасностью, уровень участия сотрудников, уровень знаний требований безопасности, отношения к безопасности, мотивации, распределения ресурсов и стресса на работе [16–18]. Анализ работ показал, что они основаны на прогнозном моделировании инцидентов на основе известных статистических данных для определенных типов рабочих мест и профессий, однако зарубежные исследования не учитывают постоянно изменение факторов производственной среды, процесса труда, а также изменение психоэмоционального и физиологического состояния работника.

ВБелгородском государственном технологическом университете им В. Г. Шухова ведутся разработки интеллектуальных систем менеджмента безопасности труда, которые включают в себя статистические базы данных индикаторов производственного травматизма на предприятиях Белгородской области, модули оценки и тестирования компетентности работников, их психоэмоционального и психофизиологического состояния, а также комплексной оценки профессиональных рисков.

Основой разработанной информационно-аналитической системы управления профессиональными рисками [19, 20], элементом которой является система мониторинга и прогнозирования действий работника в условиях повышенной опасности, является клиентсерверная архитектура. С её помощью можно оценивать состояние оператора, оснащённость его места работы с учетом требований нормативов и другие необходимые показатели, применяя подходящие инструменты (например, сенсорные системы), а также анализировать степень подготовленности персонала в области охраны труда, его психофизиологическое и психоэмоциональное состояние, организовав отдельные рабочие места.

Общая архитектура системы показана на рис. 1.

129

Рассмотрим основные этапы работы предлагаемой системы. В начале заполняется информационная база данных о персонале и рабочих местах предприятия. Затем на основе хорошо известной базы данных статистических показателей и динамики травматизма в отрасли проводится предварительная оценка вероятности реализации небезопасных действий персонала с учётом полученных закономерностей частоты случаев травмирования работников от факторов, формирующих причину несчастного случая (инцидента). К таким факторам относятся пол работника, его возраст и семейное положение, профессия, образование, день недели и т.д. Оценка проводилась по материалам расследованийнесчастных случаев на производстве, собранные за 2007 - 2018 годы. Также входными данными являются результаты в виде данных с модуля тестирования, показаний датчиков сотрудников и показаний датчиков рабочих станций.

Программное обеспечение, направленное на выполнение задач системы управления, поддерживает функционал системы. Оно состоит из общего (операционная система, драйверы и т. д.) и специализированного (разработка информационной системы и т.д.) обеспечения. Исходя из политики предприятия и уровня профессионального риска, специалист, отвечающий за охрану труда, принимает решение о необходимых мерах на контролируемом рабочем месте и осуществляет в соответствии с полученнымрезультатомкорректирующие действия по обеспечению безопасности.

Работа экспертной системы основана на анализе факторов, влияющих на вероятность производственных происшествий, определении вероятности его возникновения, а затем сравнении значения риска модели (вероятности события) со шкалой вероятного ущерба (серьезности события). Устранение неточностей в оценке рисков в большей степени может быть решено путем введения формальных логических методов и методов, основанных на теории распознавания образов, разработках в области создания искусственного интеллекта, теории нечетких множеств, нечеткой логики [21].

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Правительства Белгородской области Российской Федерации, грант № 18-47-310002.

Литература

1.Мониторинг условий и охраны труда 2018 год [Электронный ресурс] / Режим доступа:http://eisot.rosmintrud.ru/index.php/monitoring-uslovij-i-okhrany-truda / Дата доступа: 23.02.20

2.Семейкин А. Ю. Анализ причин производственного травматизма в Белгородской области // В сборнике: Молодежь и научно-технический прогресс. Сборник докладов XI международной научнопрактической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. В 4-х томах. Составители В.Н. Рощупкина, В.М. Уваров. 2018. С. 324-328.

3.Хлусова В. П., Климова Е. В. Влияние психологических факторов на уровень производственного травматизма при выполнении строительно-монтажных работ// В сборнике: Молодежь и XXI век - 2018. Материалы VIII Международной молодежной научной конференции. В 5-ти томах. Ответственный редактор А.А. Горохов. 2018. С. 70-73.

4.Стресс-менеджмент в подготовке персонала экстренных служб, правоохранительных органов и опасных производственных объектов /Гридчин А.А., Ряпухина И.А., Семейкин А.Ю. //Белгород, 2018. 71 с.

5.Моногарова А. А. Датчики и сенсорные системы контроля уровня запыленности производственного помещения // В сборнике: Образование. Наука. Производство Материалы X Международного молодежного форума с международным участием. 2018. С. 1438-1441.

6.Баланцева А. А. Автоматизация систем измерений газов на рабочем месте на основе датчиков // В сборнике: Образование. Наука. Производство Материалы X Международного молодежного форума с международным участием. 2018. С. 1314-1318.

7.Златова А. Л. Сенсорные системы и датчики для оценки параметров микроклимата //В сборнике: Образование. Наука. Производство Материалы X Международного молодежного форума с международным участием. 2018. С. 1375-1378.

8.Иваненко А. Р. Характеристики современных приборов для измерения факторов условий труда // В сборнике: Образование. Наука. Производство Материалы X Международного молодежного форума с международным участием. 2018. С. 1379-1384.

130

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
Помощь Обратная связь Вопросы и предложения Пользовательское соглашение Политика конфиденциальности