2278

ENGINEERING SYSTEMS

Система управления реализует модель работы, основанную на анализе различных ситуаций в поведении проживающих, их предпочтений в использовании видеофайлов и мультимедийных потоковых источников. Дополнительно производится тестирование существующих телекоммуникационных каналов.

Основу системы управления составляет микрокомпьютер, реализованный на основе открытого проекта Rasberry Pi 3. Его использование позволяет осуществлять использование открытых проектов управления смарт-домом, а также проводить расширения необходимых функций. Также доступно изменение алгоритмов работы существующих программ, так как используются проекты с открытым кодом. Данный микрокомпьютер имеет открытую архитектуру, что делает возможным расширение обрабатываемых источников данных. Микрокомпьютер Rasberry Pi 3, используемый в системе, имеет следующие системные характеристики:

процессор: 64-битный 4-ядерный ARM Cortex-A53 с тактовой частотой 1,2 ГГц на однокристальном чипе Broadcom BCM2837;

оперативная память: 1ГБ LPDDR2 SDRAM;

цифровой видеовыход: HDMI;

композитный выход: 3,5 мм (4 pin);

USB порты: USB 2.0×4;

сеть: WiFi 802.11n, 10/100 Мб RJ45 Ethernet;

Bluetooth: Bluetooth 4.1, Bluetooth Low Energy;

разъем дисплея: Display Serial Interface (DSI);

разъем видеокамеры: MIPI Camera Serial Interface (CSI-2);

порты ввода-вывода: 40.

Для организации управления мультимедийными файлами используется открытое программное обеспечение PLEX. Оно выполняет следующие функции:

ведение каталога медиатеки, содержащего различные мультимедийные файлы;

автоматическое распознавание файлов в медиатеке и формирование для них обложки и аннотации;

трансляция содержимого медиатеки на пользовательские устройства (Smart TV, Apple TV) а также черех HTML 5 плеер, через локальную компьютерную сеть.

В качестве системы видеонаблюдения используется открытый проект ZoneMinder. Данное программное обеспечение:

обеспечивает поддержку локальных и сетевых видеокамер;

поддерживает pan/Tilt/Zoom (управление камерами);

ведет гибкое формирование необходимых зон наблюдения;

имеет возможность осуществления записи по наличию движения в зоне наблюдения;

обеспечивает высокую устойчивость к сбоям в работе;

имеет удобный визуальный интерфейс пользователя для управления системой;

поддерживает режим различных уровней доступа для пользователей;

расширяется для поддержки дополнительных протоколов управления.

Таким образом, реализуется полноценное управление видеоданными на основе открытого аппаратного и программного обеспечения. Использование платформы Raspberry Pi 3 позволяет реализовать более энергоэффективный центр управления за счет низкой стоимости компонентов системы и открытой лицензии на программное обеспечение

Выводы:

1.Разработана структурная схема системы управления видеоданными в инженерных системам в жилом помещении на основе открытой платформы.

2.Определено аппаратное обеспечение, используемое в системе, и приведены выполняемые им функции.

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

3.Сформулирован принцип управления на основе поведения проживающих.

4.Показана возможность построения системы управления на основе открытой системной платформы.

Список литературы

1.Элсенпитер, Р.К. Умный Дом строим сами / Р.К. Элсенпитер, Т.Дж. Велт. – М.:

Кудиц-образ, 2005. – 384 с.

2.Гололобов, В.Н. Умный дом своими руками / В.Н. Гололобов. – М.: НТ-Пресс, 2007. – 416 с.

3.Сопер, М.Э. Практические советы и решения по созданию «Умного дома» / М.Э. Сопер. – М.: НТ Пресс, 2007. – 432 с

4.Харке, В. Умный дом. Объединение в сеть бытовой техники и систем коммуникаций в жилищном строительстве / В. Харке. – М.: Техносфера, 2006. – 287 с.

Referances

1.R.K. Elsenpiter, R.K. Smart home we build ourselves / R.K. Elsenpiter, T.J. Welt. – M.: Kudits-image, 2005. – 384 p.

2.Gololobov, V.N. Smart home do it yourself / V.N. Gololobov. – M.: NT-Press, 2007. – 416 p.

3.Soper, M. Practical advice and solutions for creating a “smart home” / M. Soper. – M.: NT Press, 2007. – 432 p.

4.Harke, W. Smart home. Networking home appliances and communications systems in housing construction / W. Harke. – M.: Technosphere, 2006. – 287 p.

ENGINEERING SYSTEMS

УДК 628.3

НОВАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРОФИЛЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ОСРЕДНЕННЫХ МЕСТНЫХ СКОРОСТЕЙ

ПО СЕЧЕНИЮ НАПОРНОГО ТРУБОПРОВОДА

С.Ю. Андреев, М.И. Яхкинд, Н.Н. Ласьков, В.А. Князев

Приведены результаты исследований закономерностей распределения величин осредненных местных скоростей по радиусу напорного трубопровода круглого сечения. Получена математическая зависимость, позволяющая определять величину отношения значения осредненной местной скорости на границе пристеночного подслоя турбулент-

ного потока жидкости u * к динамической скорости . Полученная математическая

зависимость может быть использована при проектировании напорных сетей водопровода и канализации.

Ключевые слова: логарифмический закон распределения; параболический закон распределения; динамическая скорость; относительная шероховатость; пристеночный подслой; переходный подслой; ядро потока

ENGINEERING SYSTEMS

Наряду с ламинарным и турбулентным режимами Л.Прандтль выделял и режим движения жидкости при Re<1, названный им «ползущим течением» [1].

Ползущее течение наблюдается в тонком прилегающем к стенке трубы подслое жидкости, в котором силы вязкого трения превышают силы инерции, вследствие чего величина градиента скорости в пределах подслоя имеет постоянное значение

( G const ), а величина местной скорости потока uy (м/с) в зависимости от расстоя-

λ – коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси).

На расстоянии y от стенки потока формула (3) позволяет получить значение местной скорости u , величина которой отлична от значения динамической скорости( u ). Пересечение эпюры реального распределения величин местных скоро-

стей ламинарного потока и эпюры скоростей, построенной по формуле (3), осуществляется на границе переходного подслоя с ядром потока.

Переходный подслой имеет толщину , равную толщине пристеночного подслоя

( ).

Пристеночный и переходный подслои вместе образуют вязкий слой, имеющий толщину

Величина местной скорости на оси ламинарного потока при r 0 и y r0 в соответствии с формулой (3) будет иметь максимальное значение umax л 2 .

При переходе движения жидкости в трубе круглого сечения в турбулентный режим величина местной скорости уменьшится и будет иметь значение umax т 2 .

Коэффициент характеризует отношение величины максимальной местной скорости на оси турбулентного потока umax т к величине максимальной местной скорости на оси ламинарногопотока umax л втрубекруглогосечениярадиусом r0 приодинаковойвели-

чине средней скорости , но разных значениях кинематических коэффициентов вязкости пропускаемыхчерезтрубужидкостей(разныхзначенияхчислаРейнольдсаRe):

ENGINEERING SYSTEMS

где Fт – сила трения жидкости на поверхности стенки трубы (Н); S – площадь поверхности раздела фаз «поток жидкости – стенка трубы» (м2); – общий динамический коэффициент вязкости в пристеночном подслое (Па·с); – плотность

жидкости (кг/м3).

Имеющиеся данные, полученные в ходе исследования турбулентного потока вблизи стенки трубы с помощью современной аппаратуры, показывают, что, в отличие от ламинарного потока, в турбулентном потоке жидкости величина местной скорости

u на границе пристеночного и переходного подслоев на расстоянии y от стенки трубы не равна значению динамической скорости u * .

Отношение величины местной скорости на границе пристеночного подслоя u к величине динамической скорости принято называть числом Никурадзе:

Число Никурадзе является пульсирующей величиной, изменяющей свое значение во времени от N=2,3 до N=18 [3]. Осредненное за достаточно большой промежуток времени число Никурадзе имеет постоянное значение.

Процесс зарождения турбулентных вихрей в переходном подслое приводит к его разрушению, что также обусловливает пульсирование толщины пристеночного слоя δ*. При разрушении переходного подслоя происходят интенсивный выброс элементарных объемов жидкости (турбулентных вихрей) в ядро потока и увеличение местной скорости на границе пристеночного подслоя до значения

Средняя величина градиента скорости в пристеночном подслое в процессе пульсации увеличивает свое значение с величины G до G NG .

В переходном подслое турбулентного потока жидкости наблюдается скачкообразное уменьшение величины касательного напряжения сил продольного внутреннего трения, в результате чего упругая потенциальная энергия, накопленная в пристеночном подслое, переходит в энергию зарождающихся в переходном подслое элементарных турбулентных вихрей и в увеличение кинетической энергии движения жидкости на границе переходного подслоя и ядра потока (увеличение значения

градиента скорости G ).

В работе [2] было показано, что наибольшая величина удельной массовой диссипации энергии (рассеивания энергии и превращения ее в тепло) связанная с касательным напряжением сил вязкого трения и наблюдается в пристеночном подслое:

По аналогии с формулой (20), используя формулы (15) и (16), можно определить величину относительной разности удельной массовой диссипации энергии на границе переходного подслоя и ядра турбулентного потока жидкости, являющуюся количественной характеристикой доли удельной энергии, высвобождающейся в переходном подслое в результате изменения величины касательного напряжения силы продольного трения

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

С учетом формулы, приведенной в работе [2],

средняя величина градиента скорости, устанавливающаяся в пристеночном подслое турбулентного потока жидкости в результате взаимодействия пристеночного и переходного подслоев, может быть определена по формуле

Прандтлем Л. было получено уравнение для определения величины градиента скорости в ядре турбулентного потока жидкости на расстоянии у от стенки трубы [1]:

где χ = 0,4 – постоянная Кармана (первая константа турбулентности). Интегрирование уравнения (25) позволяет получить зависимость для определения

осредненного значения величины местной скорости в ядре турбулентного потока жидкости:

где С – постоянная интегрирования.

Рассматривая граничные условия на расстоянии толщины «ламинарного подслоя» (пристеночного подслоя) y и на расстоянии выступов эквивалентной равномер-

но-зернистой шероховатости y э , учитывая экспериментальные данные, получен-

ные И.Никурадзе, Л.Прандтль получил формулы для определения значения величин местной скорости в ядре турбулентного потока жидкости в гидравлически гладких трубах [1]

и вполне шероховатых трубах [1]

Полученные зависимости (27) и (28) не позволяют описывать наиболее важную для практических целей переходную область между гидравлически гладким и вполне шероховатым трением.

В соответствии с формулами (27) и (28) относительный дефицит местной скорости от максимальной для турбулентного потока жидкости, протекающего как в гидравлически гладких, так и во вполне шероховатых трубах, будет иметь значение

Величина относительного дефицита средней скорости от максимальной может быть найдена через величину расхода жидкости Q, определяемого как сумма элемен-

ENGINEERING SYSTEMS

тарных расходов dQ в кольцевых сечениях площадью dω, имеющих толщину dr и удаленных от оси потока на расстояние r r0 y .

Подставив в (18) формулы (27) и (28) с учетом y получим уравнения для определения числа Никурадзе в гидравлически гладких и вполне шероховатых трубах:

В табл. 1 приведены значения критериев Рейнольдса, вычисленные по формуле

для трубы круглого сечения диаметром d=0,05 м, работающей в области гидравлически гладких русел, при различных значениях средней скорости υ (м/с), коэффициентов гидравлического трения λ, вычисленных по формуле Блазиуса

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

а также величин: динамической скорости (м/с), вычисленной по формуле (7); толщины пристеночного слоя (м), вычисленной по формуле (6); коэффициентов β1 и

β2, вычисленных по формулам (11) и (34); чисел Никурадзе N1 и N2, вычисленных по формулам (24) и (35).

Т а б л и ц а 1 Результаты вычислений характеристик турбулентного потока жидкости в трубе

диаметром d=0,05 м, работающей в области гидравлически гладких русел

Втабл. 2 приведены значения критериев Рейнольдса, вычисленные по формуле

(37)для труб круглого сечения диаметром d=0,05 м, работающих в области вполне шероховатых русел, при различных значениях средней скорости υ (м/с), имеющих

различную величину относительной гладкости поверхности d / э и их коэффи-

циентов гидравлического трения λкв в области квадратического закона сопротивления, вычисленных по формуле Прандтля – Никурадзе

а также величин: динамической скорости (м/с), вычисленной по формуле (7); толщины пристеночного слоя (м), вычисленной по формуле (6); коэффициентов β1

и β3, вычисленных по формулам (11) и (34); чисел Никурадзе N1 и N3, вычисленных по формулам (24) и (36).