Естественнонаучное образование в вузе. Проблемы и перспективы. Сборник статей IV Международной научно-методической конференции 27-28 ноября 2012 г.

Система (1) имеет следующие стационарные состояния:

Исследуя устойчивость стационарных состояний (2)-(3) на основе линеаризации и применении алгебраического критерия Гурвица, получим условия устойчивости системы (1) [3].

Стационарное состояние (2) при T1 > 0, T2 > 0 является устойчивым при значениях k2 < 0, k3 < 0.

Стационарные состояния (3) будут устойчивыми при вы-

полнении неравенств и . Отсюда следует, что система (1) устойчива при любых значениях параметров регулятора k1, k2, k3. По параметру k3 про-

исходит бифуркация.

Таким образом, при изменении параметров k1, k2, k3 в об-

ласти (-∞ < k1 < ∞, -∞ < k2 < – ∞, -∞ < k3 < ∞) система (1) с законом управления в форме катастрофы «гиперболическая

омбилика», обладая устойчивым стационарным состоянием

(2) и проходя через точку (-∞ < k1 < ∞,-∞ < k2 < ∞, k3 = 0) теряет устойчивость стационарного состояния (2), но появля-

ются два новых устойчивых состояния (3) с новой областью устойчивости устанавливаемых параметров, то есть в точке k3 = 0 происходит бифуркация.

На рисунке (1) приведена структурная схема системы (1), реализованная с помощью программы моделирования VisSim 6.0, а на рисунке 2 – графики переходного процесса при ступенчатом единичном воздействии при двух противоположных значениях параметра k1: k1 = ± 1,k2 = 2, k3 = –4,

T1 = 10, T2 = 2.

121

Рис. 1

Рис. 2

Таким образом, система управления второго порядка за счет введения в контур управления закона в форме катастрофы «гиперболическая омбилика» становится робастно устойчивой в неограниченных пределах параметров регулятора, что подтверждается результатами численного эксперимента, проведенного на основе VisSim 6.0.

Библиографический список

1. Дьяконов, В.П. VisSim+Mathcad+MATLAB. Визуальное математическое моделирование. – М.: СОЛОН-Пресс, 2004. – 384 с.

122

2.Томпсон, Дж. М.Т. Неустойчивости и катастрофы

внауке и технике: Пер. с англ. – М.: Мир, 1985. – 254 с.

3.Воронов, А.А. и др. Основы теории автоматического регулирования и управления: Учеб. пособие для вузов / А.А. Воронов и др. – М.: Высш. школа, 1977.

ПРИМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ШЛАМОПОДОБНОГО ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ

А.И. Хлыстов, Л.Н. Безгина

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет»

Предлагается способ определения рационального применения шламоподобного техногенного сырья в составах материалов общестроительного и специального назначения. У свежеосажденных шламов определяется химсостав различными методами химанализа. Химический состав шламов остается стабильным и после длительного хранения в нормальных условиях. Изменения происходят только в структуре за счет кристаллизации отдельных соединений, что чаще всего приводит к снижению химической активности компонентов шламов. Для полной оценки химико-ми- нералогического состава шламов предлагается провести следующие физико-химические исследования: дифференци- ально-термический анализ и рентгенофазовый анализ.

Основным резервом расширения сырьевой базы производства строительных материалов является шламоподобное техногенное сырье. В Самарской области основным источником образования подобного сырья являются предприятия металлургического и машиностроительного профиля. В частности на Самарском металлургическом заводе образуются в большом количестве высокоглиноземистые и карбонатсодержащие шламы.

123

По составу минеральной части различают шламы алюминатные (алюмощелочные и алюмокальциевые), кальциевые (известково-карбонатные, карбонатные) и гидроксидные сложного состава, где присутствуют гидроксиды Cr; Ni; Zn

идругих цветных металлов.

Усвежеосажденных шламов (алюминатных, карбонатных

идр.) предлагается определять химический состав различнымиметодамихиманализа.Какпоказалапрактика,химический составшламовостаетсястабильнымипоследлительногохранения в нормальных условиях. Изменения происходят только в структуре за счет кристаллизации отдельных соединений, что чаще всего приводит к снижению химической активности компонентов шламов.

Для полной оценки химико-минералогического состава шламов предлагается провести следующие физико-химиче- ские исследования: дифференциально-термический анализ (ДТА) и рентгенофазовый анализ (РФА). Расшифровка кривых ДТА и РФА позволяет установить для шламов окон-

чательный их минералогический состав и определиться с рациональной областью применения. Разнообразие химического состава шламов дает основание для их использования в тонких химических технологиях, где будут участвовать в реакциях оксиды, гидроксиды, карбонаты и другие соединения.

Виды фосфатных связок весьма разнообразны. Широко известными являются алюмофосфатные (АФС), хромофосфатные (ХФС), алюмохромофосфатные (АХФС), алюмоборфосфатные (АБФС) связки. Повышение физико-термических показателей жаростойких материалов дает применение также магний- и кальцийфосфатных связок.

Особенно широкое распространение нашли алюмофосфатные связки, так как они обеспечивают жаростойким композициям длительную службу при высоких температурах (около

124

1700 0С), способность противостоять резкой смене температур, повышенные сопротивляемость истирающему действию и химическую стойкость в агрессивных средах.

Применение фосфатных связок позволяет получать наиболее качественные жаростойкие бетоны, но в тоже время не исключает возможности использования в бетонах других вяжущих, а только расширяет ассортимент жаростойких бетонов.

Алюмофосфатные связки получают при взаимодействии ортофосфорной кислоты с глиноземистыми материалами. Вероятные реакции образования фосфатов следующие:

3H3PO4 +Al(OH)3=Al(H2PO4)3+3H2O. (1) 3H3PO4+2Al(OH)3=Al2(HPO4)3+6H2O. (2) 6H3PO4+Al2O3=2Al(H2PO4)3+3H2O. (3)

Полученные по реакции фосфатные связки, отвечающие по составу одноили двухзамещенным фосфатам алюминия являются наиболее эффективными по связующим свойствам. Они долго сохраняют формовочные свойства вследствие хорошей растворимости в воде.

Область применения кислых водорастворимых фосфатов типа Al2(HPO4)3 расширяет также процесс их перехода при нагревании в стабильный трехзамещенный алюмофосфатAlPO4, чтовесьмаважноприиспользованиижидкихфосфатныхсвязок

втехнологиях структурно-химической модификации штучных керамических огнеупоров. Однако реакция может протекать

до образования трехзамещенного фосфата алюминия –AlPO4, нерастворимого в воде. Тогда масса будет непригодной для формования. Необходимо так управлять реакцией, чтобы можно было получить одноили двухзамещенные фосфаты алюминия. Это нетрудно осуществить, если исходные вещества взять

впроцентных соотношениях согласно реакциям (1) – (3).

На кафедре «Строительные материалы» СГАСУ также разработан комплекс технических решений по использованию карбонатов в процессе синтезирования фосфатных

125

связующих. Несмотря на большую абсолютную величину теплового эффекта реакции Mem(СО3)n+H3PO4, применение таких технологических приемов, как снижение концентрации ортофосфорной кислоты, замена ее водорастворимыми связующими (АФС, АХФС и др.), позволило расширить сырьевую базу в производстве кислых фосфатов и их номенклатуру.

В разработках по синтезированию фосфатных связующих такие технические продукты, как Al(OH)3; СаСО3; MgCO3 и другие были заменены соответствующим шламовым сырьем, а именно, алюмощелочным шламом, где основная масса представлена гидроксидом Al(OH)3, алюмокальциевым и карбонатным шламом водоочистки, состоящим в основном из СаСО3.

На Самарском металлургическом заводе функционируют современные очистные сооружения по очистке технических сточных вод. В частности алюмощелочной шлам с целью нейтрализации смешивается с карбонатным в жидком суспензионном состоянии, а затем после отстоя образующийся осадок отжимается с помощью фильтр-пресса и отправляется на полигон для захоронения. Данный шлам согласно химическому составу (таблица 1) относится к алюмокальциевому.

Таблица 1

Химический состав алюмокальциевого шлама с очистных сооружений

Самарского металлургического завода

Проведенные рентгеновские исследования с алюмокальциевым шламом показали присутствие в сырье большого количества кальцита.

126

В результате смешения шлама с ортофосфорной кислотой происходит экзотермическая реакция между минеральными составляющими шлама с Н3РО4. Выбор оптимальной концентрации ортофосфорной кислоты и необходимый расход шлама для синтезирования связки производили опытным путем, исходя из полноты взаимодействия порошковой сотавляющей с жидкостью затворения. Исходя из химического состава шлама возможно предположить, что фосфатная связка, полученная в результате взаимодействия алюмокальциевого шлама с ортофосфорной кислотой, состоит из смеси соеди-

нений типа Ca(H2PO4)2; Mg(H2PO4)2; Al(H2PO4)3, Al2(HPO4)3.

Присутствие в шламе щелочи в виде NaOH способствовало повышению температуры и быстрому взаимодействию основных компонентов шлама с H3PO4.

Данную фосфатную связку назвали алюмокальциевой (АКФС). При длительном хранении (около года) в связке не наблюдается образования осадка и других сидементационных явлений. Алюмокальциевую связку можно получить с плотностью от 1,15 до 1,65 г/см3.

Применение шламоподобного техногенного сырья в процессах синтезирования фосфатных связок позволило исключить в технологии получения алюмокальцийфосфатной связки весьма сложные химические способы, как восстановление Cr2O3 в производстве АХФС. Для доказательства данной теории были проведены эксперименты по применению АХФС и АКФС в составах огнеупорных футеровочных материалов. АКФС и выпускаемая химической промышленностью АХФС оказались реакционно-активными связками в составах безобжиговых огнеупорных футеровочных материалов: жаростойких бетонов и растворов, набивных масс, а также жидкостями-модификаторами штучных керамических алюмосиликатных огнеупоров.

127

СРАВНЕНИЕ НЕКОТОРЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕТРОТУРБИНЫ ДАРЬЕ

А.К. Тулепбергенов

Казахский национальный университет им. аль-Фараби

В данном докладе изложены результаты экспериментального и сравнение с расчетными данными исследования воздействия вращающейся турбины на набегающий поток. Приводятся результаты экспериментального исследования закономерностей взаимодействия стационарного воздушного потока с четырехлопастной ветротурбиной Н-ротора [1-5].

Эксперименты проводились с действующей лабораторной моделью ветротурбины в аэродинамической трубе АО НИИ «Гидроприбор» [1-4]. С целью увеличения воздействия вращающейся турбины на воздушный поток и соответственно изучения поведения последнего при прохождений ветротурбины исследование проводилось на четырехлопастной модели ветротурбины Дарье (рисунок 1).

Рис. 1. Фотография действующей лабораторной модели четырехлопастной ветротурбины Дарье

128

В этой работе рассматривается сравнение результатов теоретического расчета с экспериментом и изложены результаты экспериментальногоисследованиявоздействиявращающейся турбинынанабегающийпоток,изкоторыхнекоторыеполученыавтором.Чтобыусилитьвлияниетурбинынапотокиболее явно выяснить характер их взаимодействия, была выбрана четырехлопастная турбина Дарье. Эти эксперименты были проведены в аэродинамической трубе АО «НИИ Гидроприбор» г. Уральск. Автором разработана математическая модель [4], основанная на методах векторного анализа с использованием представлении о взаимодействии элементарных трубок тока

сдвижущейся рабочей лопастью. Проведены расчеты и анализ результатов расчета основных характеристик.

На рисунке 2 представлены данные по зависимости x(Z) для аппаратов с турбиной Дарье. Как видно из рисунка, результаты наших расчетов достаточно хорошо согласуются

сизвестными в литературе [1, 2] опытными данными.

Рис. 2. Зависимость коэффициента использования энергии ветра x от быстроходности Z=row/V∞: 1 – взято из [1], 2 – результаты расчета

129

Представляет интерес для конструкторов-проектировщиков знать соотношение длины хорды рабочих лопастей с диаметром турбины и выяснить наиболее подходящее их отношение. Такая работа в экспериментальном плане выполнена в [2]. На основепрямогофизическогоэкспериментаавторыустановили, что наибольшая эффективность работы турбины Дарье типа Н-ротор наблюдается при отношении длины хорды к диаметру турбины равным 0,125. В этой связи нами проведены специальные расчеты по определению зависимости коэффициента использования энергии ветра (x) от относительной длины хорды (h/d). Результаты расчета приведены на рисунке 3. Как видно из этого рисунка, максимальное значение коэффициента (x) от относительной длины хорды (h/d) приходится на ту же величину h/d=0,125 ,что и у авторов работы [2].

130