9709

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.

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.