CC BY
147
УДК 621.365.5
Ю.С. Архангельский, С.В.Тригорлый
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СВЧ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
И УСТАНОВОК
Разработан комплекс компьютерных программ для автоматизированного проектирования СВЧ электротехнологических процессов и установок. Программы применяются для расчета СВЧ камер с бегущей волной, лучевого типа, для моделирования процессов электродинамики, тепломассопереноса и термомеханики.
Y.S. Arkhangelskiy, S.V. Trigorliy COMPUTER PROGRAMS DEVELOPMENT FOR MICROWAVE MODEL OPERATION PROCEDURE AND INSTALLATIONS
The complex of computer programs for automated design of microwave technological processes and installations are worked out. Programs are applied to account of microwave of apparatus with traveling wave, beam type, for model operation of processes of an electrodynamics, heat and mass transfer and thermo mechanics.
Разработка математических моделей (ММ), адекватных происходящим физическим процессам, является необходимой базой для решения задач автоматического управления технологическими процессами и проектирования оптимальных СВЧ электротермических установок (ЭТУ). Моделирование и оптимизация режимов работы создаваемых установок являются важнейшими элементами автоматизированного проектирования.
Разработанные авторами компьютерные программы предназначены для автоматизированного исследования и проектирования СВЧ электротермических установок, поэтому математические модели, положенные в их основу, сориентированы на блочно-иерархический подход, который обычно используется для проектирования сложных систем [1].
В системах автоматизированного проектирования (САПР) применяется метод поэтапного моделирования, который заключается в последовательном использовании ряда ММ. Эти модели отличаются степенью детализации описания физических процессов, происходящих при термообработке диэлектрических материалов в СВЧ установках. Эти модели соответствуют различным иерархическим уровням проектирования. При нисходящем проектировании результаты моделирования на более высоком уровне входят в качестве исходных данных для последующего уровня.
На начальном этапе (макроуровне) проектирования, когда выбираются основные конструктивные элементы проектируемой установки и оцениваются ее энергетические показатели, используются упрощенные модели. Например, для анализа и синтеза СВЧ установок с бегущей волной для сушки тонких диэлектрических материалов применяются одномерные модели тепло- и массопереноса [2, 3], а для расчета электродинамических
процессов - метод эквивалентных схем замещения. При этом модели представляются в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений, которые решаются аналитическими или численными методами.
На следующем этапе (микроуровне) проектирования ММ должны более точно отражать физические процессы, протекающие в объектах СВЧ термообработки, учитывать их взаимосвязь, следовательно, должны решаться самосогласованные задачи электродинамики, тепломассопереноса и термомеханики [4].
Эти модели описываются дифференциальными уравнениями в частных производных. В зависимости от типа СВЧ установки, характера технологического процесса, физических свойств обрабатываемого материала модели могут различаться по степени детализации (двумерные или трехмерные), а также степенью связанности между дифференциальными уравнениями, отражающими взаимное влияние происходящих физических процессов.
Ниже рассмотрим основные этапы процесса проектирования СВЧ ЭТУ.
Для разработки новых СВЧ ЭТУ используем нисходящее проектирование [5]. На рисунке показана схема процесса проектирования для одного из его уровней. Каждому этапу проектирования предшествует формулировка исходных данных, в которые входят требования к технологическому процессу и установке. Проектирование начинается с синтеза исходного варианта структуры установки. При этом решаются следующие основные вопросы:
- какого типа использовать СВЧ установку (периодического или непрерывного действия);
- какие применять СВЧ камеры (лучевого типа, с бегущей волной или резонаторного типа);
- какое количество излучателей будет установлено, и как они будут располагаться;
- нужно ли использовать дополнительный поверхностный нагрев.
На следующем этапе проектирования создаются математические модели технологических процессов и модели анализа и синтеза СВЧ рабочих камер. Эти модели на разных итерациях синтеза имеют различную точность. Для большинства вариантов структуры СВЧ ЭТУ используются упрощенные модели и алгоритмы расчета.
Например, для расчета СВЧ камер применяются инженерные методы с использованием эквивалентных схем замещения, а для расчета процессов нагрева и сушки - одномерные модели [1]. На завершающих итерациях используются более точные и сложные модели, основанные на методах конечных элементов и конечных разностей [6-8].
Затем выбираются исходные данные (мощность СВЧ ЭТУ или ее производительность, физические характеристики объекта термообработки, граничные и начальные условия и др.) и выполняется первый вариант анализа.
Далее проводится сравнение расчетных параметров с заданными по условиям технологии. В зависимости от вида и назначения СВЧ установки могут задаваться, например, следующие параметры:
- скорость нагрева до требуемой температуры с ограничениями на максимально допустимую разность температур в объеме диэлектрика или максимально допустимые температурные напряжения;
- скорость сушки до требуемой влажности диэлектрика с ограничением на максимально допустимую температуру и допустимую разность влагосодержания в объеме тела;
- время плавления диэлектрика с ограничением на максимальную температуру нагрева;
- время появления в диэлектрике разрушающих температурных напряжений при ограничении на максимальную мощность СВЧ установки и др.
В случае, если расчетные параметры удовлетворяют исходным требованиям, полученное проектное решение по структуре установке принимается и формулируется техническое задание на проектирование элементов СВЧ ЭТУ данного уровня.
В противном случае выбираются следующие пути улучшения проекта установки:
1) Изменяются числовые значения исходных параметров.
2) Если с помощью параметрического синтеза не удается добиться выполнения исходных технологических требований, то используют другой путь, связанный с изменением структуры СВЧ установки. Так, например, если при СВЧ термообработке диэлектрика не удается добиться равномерного нагрева, то вводят дополнительный источник поверхностного нагрева (нагрев с помощью электрокалорифера или инфракрасного излучателя).
Для нового варианта структуры вновь выбирается математическая модель и проводится параметрический синтез.
3) Если и при новом варианте структуры СВЧ установки необходимые технологические требования не выполняются, то необходимо корректировать исходные данные на проектирование установки.
Разработанные авторами методики проектирования СВЧ электротермических установок и расчета процессов тепло- и массопереноса, происходящих в диэлектриках при воздействии СВЧ энергии, первоначально были реализованы в виде программ для ЭВМ на различных алгоритмических языках (Фортран, Паскаль, Бейсик). В настоящее время данные программы переработаны с использованием имеющихся современных компьютерных математических пакетов с учетом требований удобства ввода данных и наглядности представления результатов расчетов.
В частности, программы компьютерного моделирования электротехнологических установок с СВЧ камерами бегущей волны и лучевого типа, которые используются на начальном этапе (макроуровне) проектирования, реализованы в системе МаШСАО 2001.
Выбор данного математического редактора обусловлен тем, что он достаточно прост для применения, позволяет проводить разнообразные научные и инженерные расчеты благодаря обширной библиотеке встроенных функций и численных методов, имеет разнообразный аппарат представления результатов (графики самых разных типов, мощные средства подготовки печатных документов).
Использование системы МаШСАО позволяет ускорить освоение методик расчета и получения необходимых навыков самостоятельного моделирования СВЧ электротермических процессов и установок.
Для компьютерного моделирования технологических процессов на основе решения самосогласованных задач электродинамики, тепломассообмена и термомеханики на микроуровне проектирования СВЧ электротермических установок используется алгоритмический язык Турбо-Паскаль. Разработанные на языке Турбо-Паскаль программы позволяют более гибко использовать возможности компьютера, размещая в оперативной памяти лишь минимальное количество информации, при этом основной объем информации хранится на жестком диске.
Параметрический синтез
Нет
да
Схема одного из этапов нисходящего проектирования СВЧ ЭТУ
Выводы
1. Разработанные авторами компьютерные программы являются основой для решения задач автоматизированного проектирования СВЧ электротехнологических установок и процессов.
2. Для решения инженерных задач на начальном этапе проектирования предложены упрощенные модели, реализованные в системе MathCAD, на макроуровне проектирования самосогласованные задачи электродинамики, тепломассопереноса и термомеханики решаются с помощью метода конечных элементов, реализованного в системе Турбо-Паскаль.
ЛИТЕРАТУРА
1. Норенков И.П. САПР: Системы автоматизированного проектирования: Кн. І. Принципы построения и структура / И.П. Норенков. Минск: Выш. шк., І987. І23 с.
2. Архангельский Ю.С. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов / Ю.С. Архангельский, И.И. Девяткин. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, І983. MQ с.
3. Архангельский Ю.С. Моделирование в системе MathCAD Plus 6.Q процессов СВЧ сушки диэлектриков / Ю.С. Архангельский, С.В. Тригорлый, Д.В. Джема // Электротехнологические СВЧ установки, функциональные электродинамические устройства: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, І999. С. 77-82.
4. Архангельский Ю.С. СВЧ электротермические установки лучевого типа / Ю.С. Архангельский, С.В. Тригорлый. Саратов: СГТУ, 2QQQ. І22 с.
5. Тригорлый С.В. Разработка подсистемы моделирования процессов тепломассоотдачи в САПР СВЧ электротехнологических установок / С.В. Тригорлый,
Д.В. Джема // Электротехнологические СВЧ установки, функциональные
электродинамические устройства: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 1999. С. 72-7б.
6. Архангельский Ю.С. Численное исследование процессов тепломассообмена в объектах при нагреве в поле СВЧ / Ю.С. Архангельский, С.В. Тригорлый, Л.В. Грушина // Известия вузов СНГ. Энергетика. 1997. № 3-4. С. бб-71.
7. Тригорлый С.В. Задача термоупругости бетонной плиты при сверхвысокочастотном нагреве / С.В. Тригорлый // Известия вузов. Строительство. 1998. № 1. С. 3Q-35.
8. Тригорлый С.В. Численное моделирование и оптимизация процессов сверхвысокочастотной термообработки диэлектриков / С. В. Тригорлый // Прикладная механика и техническая физика. 2QQQ. Т. 41. № 3. С. 112-119.
Архангельский Юрий Сергеевич -
доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, заведующий кафедрой «Автоматизированные электротехнологические установки и системы»
Саратовского государственного технического университета
Тригорлый Сергей Викторович -
кандидат технических наук, доцент, заместитель директора НИЦ «Энергоком» Саратовского государственного технического университета
