Методы имитационного моделирования течения выпускных газов в фильтроэлементах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат наук Семёнов, Борис Васильевич

• Семёнов, Борис Васильевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Семёнов, Борис Васильевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПРОЦЕССЫ ФИЛЬТРАЦИИ В ПОРИСТЫХ СТРУКТУРАХ ФИЛЬТРОЭЛЕМЕНТОВ, В ТОМ ЧИСЛЕ ПОЛУЧЕННЫХ ПО ТЕХНОЛОГИИ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА

1.1 .Теория и механизмы СВС-технологий

1.2. Исходные материалы для фильтро-элементов по СВС-технологии

1.3.Процесс фильтрации в пористых структурах фильтров-нейтрализаторов

1.4. Структурные характеристики СВС-элементов

1.5.Гидравлические свойства СВС-элементов

1.6. Фильтрации газов в пористых элементах цилиндрической формы

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

МАССОПЕРЕНОСА В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ

2.1. Математические модели процессов массопереноса в пористых средах

2.2. Модель запылённого газа многокомпонентной смеси

2.2.1. Режимы течения газа

2.3. Математическая модель многокомпонентной смеси

2.4. Математическая модель многокомпонентной смеси ОГ

ГЛАВА 3. АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ НАХОЖДЕНИЯ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЫПУСКНЫХ СИСТЕМ БЕНЗИНОВЫХ ДВС

3.1 Числовые характеристики фильтроэлемента, физические константы и диффузионные параметры для расчёта

3.2. Расчётные схемы для плотности потока одного из компонент, с учётом диффузии и полного потока

3.3. Исходные и промежуточные расчётные данные для многокомпонентной смеси

3.4. Программный комплекс численного и имитационного моделирования

3.4.1. Программная реализация математической модели с визуализацией результатов расчёта

3.4.2. Базовое программное обеспечение и средства разработки

3.4.3. Архитектура программного обеспечения визуализации результатов расчётов

3.5. Массивно-параллельные вычисления с использованием технологии NVIDIA CUDA

3.6. Визуализация процесса фильтрации многокомпонентной смеси

3.6.1. Визуализация процесса фильтрации по фильтру

3.6.2. Визуализация процесса фильтрации по поре

ГЛАВА 4. КОМПЬЮТЕРНОЕ И ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СМЕСИ ЧЕРЕЗ

ФИЛЬТРОЭЛЕМЕНТ

4.1. Численный расчёт полного потока смеси в зависимости от перепада давления

4.2. Численный расчёт разности диффузионных потоков окиси углерода и окиси азота

4.3. Результаты численного эксперимента для пятикомпонентной смеси

4.4. Результаты расчёта изменения концентрации молекул в

фильтроэлементе по длине фильтроэлемента

4.5. Результаты расчёта концентрации компонент при изменении радиуса

пор

4.6. Результаты расчёта концентрации при изменении концентрации одной

из компонент

4.6.1. Результаты расчёта концентрации при изменении концентрации кислорода

4.6.2. Результаты расчёта концентрации при изменении концентрации паров воды

ГЛАВА 5. АНАЛИЗ РАСЧЁТА БЫСТРОДЕЙСТВИЯ СИСТЕМЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТЕЙ МЕЖДУ ПАРАМЕТРАМИ МОДЕЛИ И СКОРОСТЬЮ РАБОТЫ ПРОГРАММЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАССИВНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ

5.1. Тестовое оборудование

5.2. Сравнение различных структурных схем организации данных

5.3. Сравнение производительности различных платформ

5.4. Зависимость скорости работы от входных параметров

ГЛАВА 6. ОЦЕНКА ВРЕМЕНИ ПРОТЕКАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

6.1. Кинетика химических реакций

6.2 Расчёт времени протекания химических реакций

6.2.1 Алгоритм расчёта времени химических реакций

6.2.2 Численный расчёт времени химической реакции окисления окиси углерода

6.2.3 Численный расчёт времени химической реакции окисления окиси

азота

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы имитационного моделирования течения выпускных газов в фильтроэлементах»

ВВЕДЕНИЕ

Загрязнение воздуха вредными выбросами автомобилей в наше время стало одной из глобальных экологических проблем. Путь ее решения только один -автомобиль должен стать экологически чистым. Важное место здесь принадлежит системам нейтрализации, способным в несколько раз снизить токсичность выхлопных газов.

За долгое время существования проблемы автомобильных выбросов и загрязнения ими атмосферного воздуха было разработано множество методов и способов, позволяющих уменьшить количества выхлопов или снизить их токсичность. В настоящее время разрабатываются и претворяются в жизнь мероприятия по снижению загрязнения атмосферы выбросами автомобильных двигателей, включающие в себя:

® усовершенствование конструкций двигателей и повышение качеств их изготовления;

• поиск новых видов топлива, применение различных присадок к нему;

• создание энергосиловых установок для автомобилей, выбрасывающих меньшее количество вредных веществ;

« разработка устройств, снижающих содержание вредных компонентов в отработавших газах.

Практика показала, что при этом достичь уровня токсичности отработавших газов, требуемого законодательством развитых стран, первыми тремя способами нельзя. Поэтому получила широкое распространение нейтрализация отработавших газов в системе выпуска. В этом случае токсичные вещества, вышедшие из цилиндров двигателя, нейтрализуются до выброса их в атмосферу.

Химикам известно множество катализаторов - медь, хром, никель, палладий, родий. Но самой стойкой к воздействию сернистых соединений, которые образуются при сгорании содержащейся в бензине серы, оказалась благородная платина. На долю катализаторов приходится до 60% себестоимости устройства. Поэтому, происходят необходимые химические реакции - окисление монооксида

углерода (СО) и несгоревших углеводородов (СН), а также сокращение количества окиси азота (Ж)х). В трехкомпонентном нейтрализаторе платина и палладий вызывают окисление СО и СН, а родий "борется" с Ж)х. Родий - субпродукт при получении платины - наиболее ценный.

Научно-технический прогресс в очистке газовых аэрозолей от вредных веществ заключается в применении новых более современных и дешёвых материалов и применении высоких технологий для их получения.

Отечественными школами ученых, возглавляемыми И.П. Боровинской, А. Г. Мержановым, В. И. Итиным, В.В.Евстигнеевым, В.Э. Борзых и др., разработана технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) для получения пористых проницаемых материалов, на базе которых появилась возможность изготовления по энергосберегающей безотходной технологии фильтрующих и каталитических материалов, представляющих интерес для машиностроения, а именно для автомобилестроения. Новые материалы открывают возможности их использования в устройствах для очистки отработавших газов. В автомобилестроении эти материалы используются в каталитических нейтрализаторах фильтрах.

Дальнейшее развитие систем очистки газов с использованием СВС-материалов сдерживается тем, что окончательно не изучены их физико-механические свойства в зависимости от химического и гранулометрического состава исходных порошковых компонентов.

Существующие методики определения физико-механических свойств пористых материалов не учитывают специфику структур СВС-материалов и их анизотропность. Опыт разработки процессов и аппаратов для очистки газов в основном сосредоточен в химической промышленности, но существует возможность переноса его и в другие отрасли производств.

Наряду с натурными экспериментами и полупромышленными испытаниями для прогнозирования эффективности очистки выхлопных газов различных производств используется вычислительный эксперимент, который позволяет с наименьшими затратами получить научно обоснованный положительный

результат. В этом случае разрабатывается математическая модель, моделирующая соответствующие процессы массопереиоса, и решение поставленной задачи реализуется с помощью средств вычислительной математики и компьютерных технологий. Необходимо, чтобы результаты вычислений согласно математической модели согласовывались с физическим экспериментом, и одновременно математическая модель должна быть достаточно простой для практического использования.

Развитие вычислительной техники делает нецелесообразным использование методов и программ, предназначенных лишь для решения отдельных задач частного вида. Необходимо иметь методы и программы, позволяющие решать классы задач, предоставляя возможность выбора типа уравнения, класса краевых условий, а также функционального пространства, которому принадлежат коэффициенты уравнения и условий.

Существуют различные подходы к математическому описанию процессов фильтрации отработанных газов, созданы научные школы по изучению и применению результатов при создании и конструировании фильтроэлементов очистки выхлопных газов. Однако большинство всех исследователей рассматривают вопросы очистки выхлопных газов дизельных двигателей. Цель их работ, как правило - теоретическое исследование процессов накопления частиц сажи в фильтре из вспененного материала и окислительной регенерации фильтра в предположении, что они проводятся последовательно либо происходят одновременно (режим фильтрации с одновременным окислением сажи), и изучение влияния параметров модели на динамику этих процессов.

При разработке математической модели они используют макроскопический подход с использованием уравнения «Навье-Стокса», уравнения для концентрации частиц сажи в газовой фазе, уравнения для массовой концентрации сажи и уравнения массового и теплового баланса.

В данной диссертационной работе предпринята попытка на основе публикаций [7-18],[72-78] рассмотреть микроскопический (молекулярно-кинетический) подход к реализации математической модели очистки выхлопных

газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС), через фильтроэлемент созданный на основе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

Цель диссертационной работы состоит в разработке и апробации методов математического и имитационного моделирования процессов фильтрации через пористую матрицу многокомпонентных газовых смесей, характерных для отработанных газов (ОГ) бензиновых двигателей внутреннего сгорания.

Для достижения поставленной цели определены следующие основные задачи исследования:

1. Усовершенствование и адаптация математической модели фильтрации многокомпонентной смеси ОГ на основе молекулярнокинетического подхода.

2. Разработка комплекса программ — основы для автоматизированного рабочего места (АРМ) конструктора-технолога с целью проведения численного эксперимента по фильтрации ОГ с визуализацией имитируемых процессов и массивно-параллельных вычислений на графических процессорах.

3. Разработка методики имитационного моделирования для определения геометрических и технологических параметров фильтроэлементов.

4. Проведение имитационного моделирования процессов фильтрации ОГ, характерных для бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Объект исследований — процессы течения многокомпонентных смесей в фильтроэлементах выпускных систем ДВС.

Предмет исследований - Имитационное моделирование процессов фильтрации многокомпонентных смесей через пористую матрицу и принятие на его основе конструкторских и технологических решений при разработке и модернизации выпускных систем ДВС.

Методы исследования основаны на методологии физического, математического и компьютерного моделирования, закономерностях теории фильтрации, положениях математической физики, объектно-ориентированной

технологии создания программных средств. Для решения поставленных задач используются методы имитационного моделирования; численные методы математической физики; методы объектно-ориентированного проектирования и программирования.

Научная новизна полученных в работе результатов характеризуется в соответствии с тремя составляющими специальности 05.13.18 — Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ, следующим: В области математического моделирования

1) усовершенствована математическая модель фильтрации многокомпонентной смеси ОГ оригинальным образом - на основе молекулярнокинетического подхода;

2) разработана оригинальная методика имитационного моделирования с применением параллельных вычислений для апробирования принимаемых конструкторских и технологических решений для систем очистки ОГ ДВС;

В области численных методов

3) впервые применены численные методы решения систем линейных уравнений при распараллеливании процесса вычислений на графических процессорах для задач фильтрации ОГ ДВС через пористый элемент, состоящий из большого количества пор, являющихся элементами этого распараллеливания;

В области создания и реализации комплексов программ

4) впервые создан и апробирован программный комплекс — основа (АРМ) конструктора-технолога, включающий взаимосвязанные части: параллельного счета и визуализации и позволяющий находить решения в реальном масштабе времени;

5) впервые получены оригинальные результаты исследований влияния изменения концентрации компонент смеси, в зависимости от диаметра пор, длины фильтроэлемента и изменения концентраций одной из

компонент, которые удовлетворительно согласуются с результатами натурных экспериментов.

Практическая значимость. Предложенные, в рамах диссертационного исследования, методика имитационного моделирования и программный комплекс с использованием массивно-параллельных вычислений служат основой для создания, автоматизированного рабочего места (АРМ) конструктора-технолога при разработке и модернизации систем выпуска ОГ ДВС. Алгоритмы, методики и программный комплекс используются в ряде учебных курсов, преподаваемых в ТюмГНГУ на кафедре АВТ.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся результаты, соответствующие следующим пунктам паспорта специальности 05.13.18 -Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ по техническим наукам.

1. Пункт 1: Разработка новых математических методов моделирования объектов и явлений. Усовершенствованная, адаптированная и численно реализованная математическая модель течения многокомпонентных смесей в пористой матрице на основе молекулярнокинетического подхода.

2. Пункт 3: Разработка, обоснование и тестирование эффективных вычислительных методов с применением современных компьютерных технологий. Усовершенствованный численный метод решения систем линейных уравнений при распараллеливании процесса вычислений на графических процессорах по локальному элементу объема пористой матрицы.

3. Пункт 4: Реализация эффективных численных методов и алгоритмов в виде комплексов проблемно ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента. Программный комплекс расчета концентраций компонент ОГ ДВС и их визуализации в реальном масштабе времени.

4. Пункт 5: Комплексные исследования научных и технических проблем с

применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента. Результаты исследований зависимости концентрации отдельных компонент смеси от диаметра пор, длины фильтроэлемента и изменения концентрации одной из компонент.

5. Пункт 8: Разработка систем компьютерного и имитационного моделирования. Разработанная и реализованная основа АРМ конструктора-технолога для компьютерного и имитационного моделирования течения многокомпонентных смесей через пористую матрицу для принятия решений при создании и модернизации выпускных систем ДВС.

Таким образом, диссертация рассматривает и содержит оригинальные решения по трем составляющим специальности 05.13.18 — Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ, соответствует паспорту специальности по пяти пунктам.

Личный вклад автора. В процессе выполнения работ над диссертацией автор принимал непосредственное участие в постановке и реализации поставленных задач, алгоритмов и компьютерных программ. Проведенные исследования и предложенная методика имитационного моделирования процессов фильтрации многокомпонентных смесей, является результатом работы автора.

Достоверность результатов проведенных исследований, содержащихся в работе, определяется корректным использованием математических методов, методов моделирования, проверкой разработанных алгоритмов и программы с помощью тестовых наборов данных, а также подтверждается удовлетворительной корреляцией результатов вычислений и экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических и научно-практических конференциях:

- Международная конференция «Сопряжённые задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии». ТГУ, г. Томск 2007 год.

- Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы эксплуатации

систем транспорта», г.Тюмень, 2007 год.

- XXI Международная конференция. Математические методы в технике и технологиях ММТТ-21, г. Саратов, 2008 год.

- Всероссийская конференция, посвященная 60-ю мехмата ТГУ, г. Томск 2008 год.

- VI всероссийская конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики», посвященная 40-летию НИИ ПММ ТГУ, г. Томск, 2008 год.

- Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы эксплуатации систем транспорта», г. Тюмень, 2008 год.

- IV Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании», Тюмень, 2010 год.

Публикации. По тематике связанной с содержанием диссертационной работы опубликовано 18 работ, в том числе шесть в научных журналах, рекомендованных ВАК, получено два сертификата о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка и приложения. Работа представлена на 134 страницах, машинописного текста, включая 18 таблиц, 55 рисунков, библиографический список из 108 наименований, приложения.

ГЛАВА 1. ПРОЦЕССЫ ФИЛЬТРАЦИИ В ПОРИСТЫХ СТРУКТУРАХ ФИЛЬТРОЭЛЕМЕНТОВ, В ТОМ ЧИСЛЕ ПОЛУЧЕННЫХ ПО ТЕХНОЛОГИИ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА

1.1. Теория и механизмы СВС-технологий

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) - это разновидность горения, в котором образуются ценные в практическом отношении твердые вещества (материалы). Развитие работ основано на научном открытии советских ученых И.П. Боровинской, А.Г. Мержанова, В.М. Шкиро. Явление волновой локализации автотормозящихся твердофазных реакций" (популярное название "Явление твердого пламени"), сделанном в 1967 году[54]. Главное предназначение СВС - синтез веществ и материалов, создание новых технологических процессов и организация новых производств.

В настоящее время СВС - это научно-техническая область, которая, несмотря на многолетнюю историю, продолжает развиваться [58].

К настоящему моменту времени разработаны и реализованы:

• методы диагностики СВС-процессов;

• механизмы и закономерности безгазового и фильтрационного горения;

• синтезированы свыше химические соединения разных классов;

• разработан комплекс СВС-технологий: синтез порошков, СВС-спекание, СВС-компактирование, технология высокотемпературных СВС-расплавов, СВС-сварка, газотранспортная СВС-технология.

апробировано и обосновано использование СВС-материалов в машиностроении - абразивы, твердые сплавы, износостойкие наплавки, пористые материалы с различной проницаемостью.

Приведём ряд перспективных задач, решение которых сможет вывести проблему СВС к более практического использования получаемых материалов:

- разработка и совершенствование методов диагностики и математического

моделирования неустойчивых процессов горения;

- построение физико-химических моделей СВС;

- использование минерального сырья и твердых промышленных отходов (окалины, алюминиевой стружки, радиоактивных отходов, а также отходов горнорудных разработок) в качестве реагентов в СВС-процессах, с такими реагентами образуется новое вещество или материал, отличающиеся по составу, структуре и свойствам от известного аналога;

- определение характеристик новых материалов и возможности их практического использования. Така как отходы в некоторых случаях могут реально заменить чистые реагенты и редкоземельные элементы, особенно элементы платиновой группы. Решение этой задачи интересно, не только в технологическом аспекте, но особенно в экологическом отношении.

Технологические достоинства СВС заложены в самом принципе экзотермической химической реакции - использовании быстро выделяющегося тепла химических реакций вместо нагрева вещества от внешнего источника. Поэтому многие СВС-процессы успешно конкурируют с традиционными энергоемкими технологиями.

Из всего вышеперечисленных задач выделим одну, относящуюся к тематике

данной диссертации:

получение методом СВС (в одну технологическую стадию) изделий заданной формы, размеров, состава и структуры и, в конечном счете, с заданными эксплуатационными свойствами.

Кроме задач разработки, изучения и применения СВС-технологий важен экологический аспект изготовления и применения материалов полученных по СВС-технологиям. В настоящее время вопросы обеспечения охраны окружающей среды во всем мире уделяется повышенное внимание, и экология становится важнейшим фактором человеческой деятельности. Есть два направления, которые связывают СВС с экологией. Первое - экологическая чистота СВС-технологии. Вторая - возможность использования материалов полученных по СВС-технологии для решения экологических проблем.

Рассмотрим подробнее использования СВС-технологии для решения различных экологических задач. Здесь выделим два направления. Первое - это переработка твердых промышленных отходов. Второе - создание веществ и материалов, используемых в экологических целях.

С помощью СВС-технологии можно решать задачи по созданию материалов и изделий специально для экологических применений. Приведем два примера.

Первый - это получение с помощью СВС технологий каталитических систем для дожигания выхлопных газов. Эти системы не содержат благородные металлы и проявляют каталитическую активность уже при 50°С.

Второй пример относится к созданию методом СВС технологий специальных пористых структур, которые могут быть использованы в качестве фильтров для очистки отработанных газов и отходов вредных производств, фильтров очистки питьевой воды.

Практическая ценность СВС-фильтров заключается в том, что они могут быть подвергнуты регенерации и восстановлению, после этого сохраняют свою фильтрующую способность. Многие из них обладают бактерицидными свойствами. Изучение возможностей СВС для создания материалов и изделий экологического назначения и организация таких работ - это важное направление, которое необходимо развивать совместными усилиями специалистов по СВС и экологов.

Экологические проблемы в практике СВС являются сравнительно новыми. Как видно из вышеизложенного, структура связи «СВС и экология», основные направления исследований и применений самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

1.2. Исходные материалы для фильтроэлементов по СВС-технологии

Основные исследования, связанные с получением дисперсных СВС-материалов [56 и др.], посвящено кинетике химических реакций и волне горения с целью получения структур различного строения. Особое внимание уделено соединениям никеля и титана, что объясняется широким их применением в

промышленно сти.

Наиболее известны дисперсные материалы: карбиды, бориды и другие соединения, обладающие механической прочностью, заданной формой и размерами, химической и температурной стойкостью, и удовлетворительными регенерационными способностями [47].

С другой стороны выбор исходных компонентов для изготовления пористых проницаемых СВС-материалов с заданной пористостью, проницаемостью и заданной величиной пор до сих пор до конца не изучен. Так, например: в работе [46] при изготовлении каталитических блоков для фильтров нейтрализаторов дизельных двигателей приняты: окалина легированной стали, окись хрома, хром, никель, алюминий, титан и медь без участия какой-либо газифицирующей добавки.

С другой стороны, в работах [53] показано, что конденсированные смеси из компонент никеля, титана, сажи и газифицирующей добавки, во время самораспростроняющегося высокотемпературного синтеза, преобразуются в пористые продукты, обладающие вышеперечисленными свойствами.

Особый интерес для получения пористых фильтроэлементов для нейтрализатов отработанных газов приобретает карбид титана. В работах [42,43,45] авторы отмечают, что в условиях работы катализаторов изготовленных по СВС - технологии на основе карбида титана не подвергаются блокированию пор продуктами загрязнений. Титан в сочетании с другими металлами и неметаллами способен нейтрализовать оксиды углерода, углеводорода и окислы азота в потоке газов. Его каталические особенности зависят от структуры и удельной поверхности фильтроэлемента. Это объясняется тем, что в присутствии титана образцы имеют большое количество пор, лучшую их конфигурацию, повышенную каталическую активность [66]. К тому же карбиды тугоплавких металлов на основе железа и титана являются достаточно дешевыми и доступными для их промышленного применения.

Титан ускоряет процессы гомогенных химических реакций окисления углерода, азота, оксидов углерода и азота, особенно при высоких температурах

(700-800 °С). Присутствие ионов железа при наличии в отработанных газах сернистых соединений и паров воды обеспечивает 98 % превращения окиси азота в потоке газа [38]. Поскольку железо менее дефицитно, чем медь и тем более драгоценные металлы (платина, палладий), то катализатор на основе титана с примесями железа более привлекателен.

Таким образом, приведенный анализ опубликованных работ показывает, что для изготовления фильтроэлементов для каталитических нейтрализаторов, целесообразно использовать карбид титана, позволяющий избежать многокомпонентности реагирующей смеси и выполнить СВ-синтез в обычных, атмосферных условиях.

Такие исследования были выполнены в работах [19-22], были получены пористые материалы для изготовления фильтроэлементов с подходящей структурой и необходимыми гидродинамическими характеристиками.

1.3. Процесс фильтрации в пористых структурах фильтров нейтрализаторов

Процессы каталитической очистки отработанных газов в фильтроэлементах пористых структурах, полученных по СВС-технологиям, описаны в работах группы учёных АлтГТУ им. И.И. Ползунова под руководством академика Новоселова H.H., [56,66]. Авторы работ исходят из того, что движение отработанных газов по фильтру носит турбулентный характер, поскольку в пористой структуре СВС-материалов присутствуют различные течения в блоках фильтоэлемента. Они разделяют процесс очистки отработанных газов на два последовательных режима:

- очистки отработанных газов от крупных частиц твердой фазы, которые подчиняется закону Стокса;

- очистки отработанных газов от мелких твёрдой фазы, которые подчиняются законам броуновского движения.

Предполагая, что твёрдые частицы адсорбируют на поверхности и в порах СВС-материала, в работах [57,88] представлено выражение для определения

скорости поверхностной диффузии в зависимости размера частиц, плотности и вязкости газов.

р

Где V - объёмный расход ОГ, I - длина фильтра, в - часовой расход топлива, Т -температура, [I - динамическая вязкость смеси, а - коэффициент избытка воздуха.

Другое выражение связывает коэффициент адсорбции твердых частиц фильтроэлементом с толщиной перегородки, временем, скоростью протекания отработанных газов:

¿и Зг2

К)I =-В. (;Тст V +-)

6„

сл СШ СП

Где Кп - коэффициент адсорбции, 5ст - толщина многослойного фильтра, -толщина слоя адсорбции, Т - температура фильтроэлемента, V - скорость потока отработанных газов, г - средний радиус частиц.

Учитывая, что происходит уменьшение радиуса пор фильтроэлемента из-за поверхностной диффузии и возрастает сопротивление движению отработанных газов, авторами указанной выше работы найдено выражение перепада давления на фильтроэлементе. Они пользуют уравнение Эргана и системы уравнений Навье - Стокса.

Исследуя температурные режимы пористых фильтроэлементов, из которых состоят конструкции катализаторов для дизельных двигателей, спроектированных сотрудниками АлтГТУ, авторы приводят выражения для расчета констант скорости химической гетерогенной химической реакции окисления углерода - выгорания сажи на поверхности фильтра.

Математическая модель диффузионного течения многокомпонентных смесей отработанных газов в данных работах не рассматривается. Описанная в [66] модель очистки отработанных газов дизельных двигателей частиц сажи имеет научный интерес и практическую значимость.

Учитывая, что в состав отработанных газов двигателей внутреннего сгорания

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Семёнов, Борис Васильевич, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика// Наука,1969.824с.

2. Алгазин С.Д. Численные алгоритмы классической математической физики. // Диалог-МИФИ,2010.-240 с.

3. Афанасьев В.Н. Динамические системы управления с неполной информацией конструирование. Алгоритмическое конструирование.// КомКнига, 2007.216с.

4. Бакланов С.П. О некоторых интегральных соотношениях в кинетической теории газов// ЖТФ, 1974,т.44,с 2625-2627.

5. Бакланов С.П., Дерягин Б.В. К вопросу о диффузионном скольжении газа// ИФЖ, 1981, т 41.,с 40-46.

6. Белов C.B. Пористые металлы в машиностроении// М.: Машиностроение ,1981.-248с.

7. Борзых В.Э.,Семёнов Б.В. Математическое моделирование процессов фильтрации продуктов сгорания топлив // «Вестник Тюменского государственного университета», № 6, 2009.-С .192-197.

8. Борзых В.Э.,Семёнов Б.В. Математическое моделирование процессов течения многокомпонентных газов через пористую структуру // «НЕФТЬ и ГАЗ», № 3, 2010.-С.118-124.

9. Борзых В.Э.,Семёнов Б.В. Имитационное моделирование процессов течения многокомпонентных газов через пористую структуру, с использованием технологии NVIDIA CUDA // «Вестник Тюменского государственного университета», №4, 2012. -С. 125-128.

10. Борзых В.Э., Семёнов Б.В., Титов В.В.. Визуализация результатов компьютерного моделирования процесса фильтрации отработанных газов двигателей внутреннего сгорания // «ВЕСТНИК КИБЕРНЕТИКИ», № 11, 2012. -С. 129-134.Тюмень Издательство ИПОС СО РАН.

11. Борзых В.Э.,Семёнов Б.В. Совершенствование систем выпуска отработанных газов для повышения экологической безопасности дорожно-строительных машин // Материалы Международной конференции

«Сопряжённые задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии». ТГУ, г. Томск 25-28 июня 2007 года, -С.23-24.

12. Борзых В.Э.,Семёнов Б.В. Задача о фильтрации отработанных газов для выпускных систем двигателей дорожно-строительных машин // Материалы Всероссийской научно-технической конференция «Проблемы эксплуатации систем транспорта»,г.Тюмень,16-17 октября 2007 года, -С. 180-182.

13. Борзых В.Э.,Семёнов Б.В. Постановка задачи фильтрации отработанных газов для выпускных систем двигателей внутреннего сгорания // XXI Международная конференция. Математические методы в технике и технологиях ММТТ-21, г. Саратов, 27-30 мая 2008 года, -С.260-261.

14. Борзых В.Э.,Семёнов Б.В.. Решение задачи фильтрации для выпускных систем двигателей внутреннего сгорания // Всероссийская конференции посвящённая 60-ю мехмата ТГУ, г. Томск 22-25 сентября 2008 года, -С. 187.

15. Борзых В.Э.,Семёнов Б.В. Течение отработанных газов в выпускных системах двигателей внутреннего сгорания // VI всероссийская конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики», посвященная 40 - летию НИИ ПММ ТГУ, г. Томск, с 30 сентября по 2 октября 2008 года. -С.338-340.

16. Борзых В.Э., Семёнов Б.В., Соколко С.Н. Организация вычислительного эксперимента для задач моделирования отработанных газов через пористую структуру выпускной системы автомобиля // «ВЕСТНИК КИБЕРНЕТИКИ», № 8,2009. -С.25-31.Тюмень Издательство ИПОС СО РАН.

17. Борзых В.Э., Семёнов Б.В., Соколко С.Н. Проектирование автоматизированной системы для изучения процессов сомораспространяющегося высокотемпературного синтеза // «ВЕСТНИК КИБЕРНЕТИКИ», №9, 20Ю.-С.92-98.Тюмень Издательство ИПОС СО РАН.

18. Борзых В.Э., Семёнов Б.В. Молекулярно-кинетичесский подход к математическому моделированию процессов фильтрации отработанных газов ДВС // IV Всероссийская научно-техническая конференция с международным

участием «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании», Тюмень, 14-15 октября 2010. -С.41-44.

19. Борзых В.Э., Домбровский В.В., Исаенко П.В. Комплексные автоматизированные стенды и методика определения тепловых характеристик СВ-синтеза новых композиционных материалов // Сб. научн. трудов ЛТИ/ТГАСУ. -Томск: Изд-во ТГАСУ, 2000. -С. 155-162.

20. Борзых В.Э., Баранов П.Р., Исаенко П.В. Установка для изготовления материалов и исследования СВС-проиессов в пористых средах твердых тел / / // ИЛ № 72-050-99, Томск; МТЦНТИиП, 1999. - 2 с.

21. Борзых В.Э. Анализ загрязнения окружающей среды автотранспортом в городе Томске // Борзых В.Э., Исаенко В.Д., Исаенко П.В.// Вестник ТГАСУ, 2002. № I.e. 219-227.

22. Борзых В.Э., В.Д. Исаенко В.Д., П.В. Исаенко; Очистка отработавших газов ДВС СВС-элементами // Транспортные системы Сибири: материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. —Красноярск: ИПЦКГТУ,2003.- 152 с.

23. Безручко Б. П., Смирнов Д. А. Математическое моделирование и хаотические временные ряды. — Саратов: ГосУНЦ "Колледж", 2005. — ISBN 5-94409045-6

24. Блехман И. И., Мышкис А. Д., Пановко Н. Г. Прикладная математика: Предмет, логика, особенности подходов. С примерами из механики: Учебное пособие. — 3-е изд., испр. и доп. — М.: УРСС, 2006. — 376 с. — ISBN 5-48400163-3

25. Brian R.Hunt. Матлаб R2007 с нуля.//Лучшие книги. Москва,2008.С-350.

26. Бергер Г.Л. Катализаторы для очистки дымовых газов промышленных печей, используемые с целью защиты воздушного бассейна от загрязнения //Обзорная информация. - М.: ВНИИНТПИ, 1998. - 45 с.

27. Беккар Ж. Окисление металлов: Пер. с франц. // Под ред. М: Металлургия, 1969.-444 с.

28. Белок C.B. Пористые проницаемые материалы; Справ, изд. / Под ред, Белока

СВ. -М-: Металлургия, 1997.-335 с.

29. Блаишет Жасмин, Саммерфилд Марк. Qt 4 Программирование GUI на С++ 2 // БХВ-Петербург ,2008.-738 с.

30. Васильковский В.Е. Жидкостные очистители отработавших газов карбюраторных двигателей// В кн.: Механизация и автоматизация горных работ. Караганда, 1971, №7.

31. Воеводин В.В., Воеводин Вл. В. Параллельные вычисления. //- СПб.: БХВ -Петербург, 2002, 608с.

32. Вержбицкий В.М. Основы численных методов. //- М.: Высшая школа, 2002. -840 с.

33. Гардниер У. Химия горения. //М.: Мир, 1988.-458 с.

34. Галкин A.C. Анализ математических моделей. Системы законов сохранения, уравнения Больцмана и Смолуховского// Бином. Лаборатория знаний, 2011.-408с.

35. Гладкий C.JL, Степанов H.A., Ясницкий JI.H. Интеллектуальное моделирование физических проблем II Институт компьютерных исследований, НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2006. -200с.

36. Голуб Дж., Ван Лоун Ч. Матричные вычисления: Пер. с англ. - М.: Мир, 1999,- 548с.

37. Григорьев В.А., Зорин В.М. Тепло-массообмен, теплотехнический эксперимент. Справочник.// М.:Энергоиздат, 1982.-510с.

38. Данченко Н.М. Катализаторы УЭХК// Автомобильная промышленность,

2001. № 1,-С. 13-15.

39. Дьяконов В. П. Matlab R2006/2007/2008. Simulink 5/6/7. Основы применения. Серия: Библиотека профессионала. - М.: Солон-Пресс, 2008. - 800 с.

40. Дерягин Б.В., Духин С.С. О движении аэрозольных частиц в поле диффузии // ДАН СССР, 1956,Т.56,с.851-853.

41. Дабреко К.В., Жданок С.А. Физика фильтрационного горения газов.- Минск.

2002. - 203 с.

42. Евстигнеев B.B. Структура и характеристики пористых СВС-фильтров / Евстигнеев В.В., Лебедева O.A., Пролубников В.И.; Под ред. А.Л. Новоселова; Академия транспорта РФ, АлтГТУ // Повышение экологическойбезопасности автотранспортной техники: Сб. статей, — Барнаул: Изд-во АлтТТУ,2002.-С. 111-115.

43. Евстигнеев, И.В. Милюкова, В.И. Яковлев. Дисперсионые СВС-материалы // Вестник, АлтГТУ. № 2. 1999. - С. 41-47.

44. Есенберлин Р.Е, Нейтрализатор отработавших газов / P.E. Есенберлин, В.И. Бунькин // Автомобильная промышленность. 1995. № 3. — С. 21-22.

45. Исаенко П.В. Экспериментальная методика определения основных характеристик трегеров на основе СВС-материалов // Сб. научн. трудов ЛТИ /ТГАСУ.-Томск: Изд-во ТТАСУ, 2003. с. 105-111.

46. Коробов A.A. Пористые материалы. Общий обзор и перспективы применения: Сб. статей / Под ред. А.Л. Новоселова; Академия транспорта РФ, АлтГТУ // Повышение экологической безопасности автотранспортной техники.-Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000. -С. 76-79.

47. Коробов A.B., Ковшов C.B., Унгефук A.B., Малышев А.Е.Устройство для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания / Под ред. АЛ. Новоселова; Академия транспорта РФ, АлтГТУ // Повышение экологической безопасности автотранспортной техники: Сб. статей. -Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2001.-С 26-30.

48. Kozeny I. (1927а) S.Ber.Wiener Akad.,Abt., 136.271.

49. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидро-динамическое сопротивление. Справочное пособие // Энергоиздат, 1990.-366с.

50. Максимей И.В. Иммитационное моделирование сложных систем // БГУ, 2009.264с.

51. Малков С. Ю., 2004. Математическое моделирование исторической динамики: подходы и модели // Ред. М. Г. Дмитриев. — М.: РГСУ. — с. 76188.

52. Матвеева Н. О., Горбаченко В. И. Решение систем линейных алгебраических уравнений на графических процессорах с использованием технологии CUD А// 2010 Том: 317 Номер выпуска: 2

53. Методические рекомендации по отбору и анализу проб отработавших газов двигателей внетреннего сгорания на содержение углеводородов. // М., 2010. -47 с.

54. Мержанов А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких неорганических соединений // Докл. АН СССР. - 1972. - Т. 204. -№ 2. - С. 20-23.

55. Мержанов А.Г. Теория теплового взрыва: От H.H. Семенова до наших дней / Мержанов А.Г., Барзыкин В.В., Абрамов В.Г. // Хим. Физика, 1996.-Т. 15.-№6.-С.3-44.

56. Мельберт A.A. Развитие систем каталитической очистки отработавших газов ДВС / A.A. Мельберт, A.A. Новоселов, A.J1. Новоселов; Под ред. A.J1. Новоселова; Академия транспорта РФ, АлтТТУ // Совершенствование систем автомобилей, тракторов и агрегатов: Сб. статей. В 2-х ч. Ч. 2. - Барнаул; Изд-во АлтГТУ, 1999. - С. 52-57.

57. Мельберт A.A. Конструктивная особенность каталитических нейтрализаторов, созданных в АлтГТУ им. ИИ. Ползунова / A.A. Мельберт, A.C. Павлюк, A.A. Новоселов; Под ред. A.JI. Новоселова; Академия транспорта РФ, АлтГТУ // Повышение экологической безопасности автотранспортной техники; С5. статей. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000. -С. 82-92.

58. Мержанов А.Г. Концепция развития СВС как область научно-технического прогресса // Черноголовка. Новая территория, 2003.368с.

59. Мейсон Э., Малинаускас А. перенос в пористых средах: Модель запылённого газа //Мир, 2006.-200с.

60. Москалёв П.В., Шитов В.В. Математическое моделирование пористых структур//М.Физмалит, 2007г.-120с.

61. Мышкис А. Д. Элементы теории математических моделей. // 3-е изд., испр. -М.: КомКнига, 2007. -192с.

62. Назарова H.A., Фельдман JI.П. Эффективность параллельного численного решения нежестких систем обыкновенных дифференциальных уравнений с контролем локальной погрешности // Тезисы докладов XX Международного семинара по струйным, отрывным и нестационарным течениям. Санкт-Петербург. 1-3 июля 2004г. - СПб.: ИПЦ СПбГУТД, 2004, с.201-202.

63. Назарова H.A. Эффективность численного решения нежестких СОДУ с контролем локальной погрешности для компьютеров с распределенной памятью // Искусственный интеллект 3'2004. - Донецк, 2004, с.212-216.

64. Назарова И.А. Параллельные полностью неявные методы численного решения жестких задач для СОДУ // Искусственный интеллект 3'2005. -Донецк, 2005, с.185-193.

65. Назарова И.А., Фельдман Л.П. Разработка и анализ эффективности параллельных алгоритмов итерационных методов численного решения СОДУ для мультипроцессоров с распределенной памятью. Тезисы докладов XIV Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным средствам. - М.: Вузовская наука, 2005, с.343-345.

66. Новоселов А.Л. Совершенствование очистки отработавших газов дизелей на основе СВС-материалов // А.Л. Новоселов, В.И. Пролубников, Н.П, Тубалов, - Новосибирск: Наука, 2002. -96 с.

67. Ортега Дж., Пул У. Введение в численные методы решения дифференциальных уравнений. //- М.: Наука, 1986. - 288 с.

68. Ракитский Ю.В., Устинов С.М., Чернорудский И.Г. Численные методы решения жестких систем. - М.: Наука, 1979. - 208 с.

69. Самарский A.A., Гулин A.B. Численные методы. // М.: Наука,1989. - 320 с

70. Самарский А. А., Михайлов А. П. Математическое моделирование. Идеи. Методы. Примеры.// 2-е изд., испр.. -М.: Физматлит, 2001. -343с.

71. Сандерс Дж., Кэндрот Э. Технология CUDA в примерах: введение в программирование графических процессоров// ДМК Пресс, 2011.-232с.

72. Семенов Б.В. Математическое моделирование процессов течения двухкомпонентной смеси через пористую структуру // «ВЕСТНИК КИБЕРНЕТИКИ», №11, 2012 .-С.Тюмень Издательство ИПОС СО РАН.

73. Семёнов Б.В. Моделирование процесса очистки ОГ ДВС // Материалы Всероссийской научно-технической конференция «Проблемы эксплуатации систем транспорта», г.Тюмень,6-7 ноября 2008 года, -С.281-285.

74. Семёнов Б.В., Соколко С.Н. Режимы течения отработанных газов ДВС через пористую структуру // Материалы Межрегиональной научно-технической конференции., г.Тюмень,31 октября -2 ноября 2008 года, -С. 128-130.

75. Семёнов Б.В., Соколко С.Н. Модель фильтрации и очистки отработанных газов двигателей внутреннего сгорания // VIII Международная научно-практическая конференция «Экология и безопасность жизнедеятельности». г.Пенза, декабрь,-2008 года. -С. 124-126.

76. Семёнов Б.В. Иммитационное моделирование течения выпускных газов в фильтроэлементах // Материалы итоговой конференции аспирантов Института геологии и нефтегазодобычи ТюмГНГУ и Института проблем освоения Севера СО РАН. Тюмень, ТюмГНГУ, 2012. -С.8.

77. Семёнов Б.В., Борзых В.Э., Гулевсий А.К., Навинкин И.П. Компьютерное моделирование многокомпонентной смеси через пористую структуру // Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2012612404.

78. Семёнов Б.В., Борзых В.Э.,Титов А.В. Визуализация процесса фильтрации многокомпонентной смеси через пористую структуру // Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2012612405.

79. Семенов М.Е., Колупаева С.Н., Ковалевская ТА., Данейко О.И. Математическое моделирование деформационного упрочнения и эволюции деформационной дефектной среды в дисперсно-упрочненных материалах // Эволюция структуры и свойства металлических материалов / под ред. А.И.

Потекае-ва. - Томск: Изд-во НТЛ, 2007. - С. 5-41.

80. Семенов М.Е., Колупаева С.Н. Анализ областей абсолютной устойчивости неявных методов решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений. //Известия Томского политехнического университета, 2010 Том: 317 Номер выпуска: 2.

81. Современные численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений.// Пер. с англ. / под ред. Дж. Холла, Дж. Уатта. -М.: Мир, 1979. -312 с.

82. Соколко С.Н., Семёнов Б.В.. Некоторые особенности обработки эксперементальных данных автоматизированной системы для моделирования процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза// урнал «ВЕСТНИК КИБЕРНЕТИКИ», №10, 2011.-С.90-96.Тюмень Издательство ИПОС СО РАН.

83. Советов Б. Я., Яковлев С. А. Моделирование систем: Учеб. для вузов — 3-е изд., перераб. и доп. //М.: Высш. шк., 2001. — 343 с.

84. Синицин В.А. Развитие направления каталитической нейтрализации отработавших газов автомобилей и тракторов / В.А. Синицин, А.А. Новоселов; Под ред, А.Л. Новоселова; Академия транспорта РФ, АлтГТУ // Совершенствование систем автомобилей, тракторов и агрегатов: Сб. статей. В 2-х ч. Ч. 2. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1999.- С. 58-61.

85. Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов задач математической физики // под ред. К.И. Бабенко. -М.: Наука, 1979. - 295 с.

86. Требин Г.Ф, Фильтрация жидкостей и газов в пористых средах // М.: Гостоптехиздат, 1959.-157 с.

87. Трусов П.В. Введение в математическое моделирование. Учебное пособие // М.: Логос, 2004. -223с.

88. Исаенко П.В. Повышение экологической безопасности дорожных и строительных машин путём совершенствования систем выпуска отработанных газов. // Томск: Кан.диссертация, 2004 г.

89. Удлер Э.И. Фильтрация нефтепродуктов // Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1999.-216С.

90. Удлер Э.И. Фильтрация углеводородных топлив, - Томск: Изд-во Томск, унта, 1981.-150 с

91. Хазен М.М. Обшая теплотехника //М: Высш. шк., 1966.— 427 с.

92. Цымбал Б. П. Математическое моделирование сложных систем в металлургии. - Кемерово-Москва: "Российские университеты" Кузбассвузиздат - АСТШ, 2006.-122с.

93. Чан Х.К., Поветкин А.Д., Кольцова Э.М., Петухов Д.И., Елисеев A.A., Математическая модель массопереноса в поре на основе молекулярной динамики

с применением алгоритма параллельных вычислений // Фундаментальные исследования, №3, 2012,с. 432-436.

94. Чепмен С. Математическая теория неоднородных газов / С, Чепмен, Т. Каулинг: Пер.с англ. -М; ИЛ, 1960г.

95. Щербаков В.А. Формирование структуры конечного продукта при горении смеси титан-сажа // В.А. Щербаков, А.Н. Сизов. Доклады Академии Наук, 1996,том 348,№ 1.-С. 69-73.

96. Шибряев Б.Ф. Металлокерамические фильтрующие элементы // Б.Ф. Шибряев, Е,И. Платовская.-М.: Машиностроение, 1972. -120 с.

97. Эдварде Ч.Г.,Пенни Д.Э.Дифференциальные уравнения и краевые задачи: моделирование и вычисления// МСК,2008.-1995с.

98. WWW.naukaspb.ru. Новый справочник химика и технолога.

99. WWW.info.mipt.ru

100. WWW.nixp.ru

101. WWW.gpgpu.ru

102. WWW.opencl.ru

103. WWW.khronos.org/opencl

104. http://masters.donnfa.edu.ua/2007/fyti/kozhuhov/index.html

Кожухов А.Е. "Параллельные численные методы решения задачи Коши для систем обыкновенных дифференциальных уравнений"

105. http://masters.donntu.edu.ua/2006/fvti/horoshilov/index.htm

Хорошилов A.B. "Решение двумерных краевых задач параллельным методом конечных элементов"

106. http://masters.donntu.edu.ua/2005/fvti/makashov/index.htm Макашов A.B."Анализ эффективности многошаговых многоточечных параллельных методов решения задачи Коши для обыкновенных дифференциальных уравнений"

107. http://masters.donntu.edu.ua/2005/fvti/panchenko/links/index.htm Панченко О.В. "Оценка эффективности параллельных одношаговых численных методов решения задачи Коши для ОДУ"

108. http://masters.donntu.edu.ua/2005/fvti/gorban/index.htm

Горбань А.И. "Устойчивость и оценка погрешности параллельных одношаговых численных методов решения задачи Коши для ОДУ"