|
|
|
|
|
|
Главная / Новости / Отрасли ТЭК / Физики ТПУ разработали математическую модель движения воздушных потоков и теплообмена в системах отопления нового поколения
12:29, 28 Марта 25
Теплоэнергетика Россия Сибирский ФО Физики ТПУ разработали математическую модель движения воздушных потоков и теплообмена в системах отопления нового поколения  Ученые Томского политехнического университета построили гибридную математическую модель процесса турбулентного тепломассопереноса. Эта модель в четыре раза быстрее традиционных численных методов и предназначена для анализа сложных нерегулярных течений в открытых и замкнутых системах.
Подход политехников может лечь в основу проектирования энергосберегающих систем отопления, умных систем климат-контроля помещений и систем мониторинга при прогнозировании распространения опасных веществ при чрезвычайных ситуациях.
В природе и технике перенос теплоты и массы чаще всего осуществляется турбулентными потоками. При этом, несмотря на огромный прогресс в области численного моделирования термогидродинамических процессов, относительно точное прогнозирование закономерностей турбулентного тепломассопереноса до сих пор является большим вызовом.
Ученые Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ разработали новую гибридную высокопроизводительную математическую модель, которая позволит анализировать турбулентные термогравитационные течения. В ней поле течения разрешается на мезоскопическом уровне (по небольшим группам – ред.) с помощью решеточных уравнений Больцмана. Одновременно термодинамические характеристики потока рассчитываются с помощью конечно-разностного решения макроскопического уравнения энергии.
«Традиционные методы вычислительной гидродинамики предполагают использование уравнений Навье-Стокса для расчета вектора скорости. Несмотря на универсальность такого подхода, он имеет существенные проблемы с вычислительной производительностью при решении задач турбулентного тепломассопереноса методом прямого численного моделирования. Альтернативный метод – классический метод Больцмана с тепловой моделью пассивного скаляра. Но и он несовершенен из-за трудностей с устойчивостью алгоритма при высоких числах Рейнольдса\Рэлея, который соответствует турбулентному режиму течения. Мы предложили гибридную модель с модифицированной схемой сопряжения пространственных масштабов», — отмечает старший научный сотрудник Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Александр Ни.
Модель ученых ТПУ пригодна для высокопроизводительных параллельных вычислений на графических ускорителях (GPU), удобнее в использовании и имеет улучшенную вычислительную производительность, поскольку в ней отсутствует необходимость решать стационарное уравнение неразрывности на каждом шаге по времени. Кроме того, разработанный гибридный подход более устойчив и потребляет меньше оперативной памяти по сравнению с классическим решеточным методом Больцмана.
Политехники сравнили различные гибридные решеточные модели Больцмана для решения задач ламинарной и турбулентной естественной конвекции (перенос тепла, происходящий без внешних вмешательств). Модели классифицировались по порядку точности при аппроксимации дифференциальных уравнений. Так, ученые рассмотрели схемы первого, второго и четвертого порядков точности относительно пространства и времени, а также проанализировали численную диффузию и определили границы устойчивости алгоритма в зависимости от сеточных параметров.
«Мы апробировали наш подход, решая эталонные задачи турбулентной естественной конвекции в замкнутых пространствах и сравнивая результаты численного моделирования с известными экспериментальными данными. Результаты вычислительных экспериментов показали, что наш гибридный алгоритм сходится более чем в четыре раза быстрее по сравнению с традиционными численными методами механики сплошных сред. Это открывает новые перспективы в проектировании энергосберегающих систем отопления и контроля микроклимата помещений в режиме реального времени», — добавляет Александр Ни.
В будущем ученые планируют усложнить алгоритм путем трехмерной постановки задач, учета лучистого и сопряженного теплообмена для максимального приближения вычислительной модели к реальным инженерным приложениям, таким как панельно-лучистое отопление/охлаждение жилых и административных помещений, мониторинг микроклимата в больничных палатах и операционных в режиме реального времени. А также внедрить в гибридную модель нейронные сети для получения сверхбыстрых и относительно точных решений в задачах пожаровзрывобезопасности и распространения токсичных веществ.
Источник: пресс-служба Томского политехнического университета
Все новости за сегодня (45)
|
 Институт экспериментальной физики в Сарове отмечает 80-летие
В Сарове (Нижегородская область) прошли торжества в честь юбилея Института экспериментальной физики. |
|
О проекте
Размещение рекламы на портале
Баннеры и логотипы "Energyland.info" |
|
