К оглавлению

ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКИМ ВОДЯНЫМ РАСПЫЛОМ

С.В. Остах (Московский институт пожарной безопасности, Россия)

Для успешного и безопасного использования диспергированной воды в различных технологических системах необходимы исследования образования структуры возникающих газожидкостных потоков. Особые трудности возникают при применении струй, обладающих свойством неизотермичности. В этом случае задача управления включает описание локализованных тепловых состояний в зависимости от действия различных факторов, которые в дальнейшем могут быть использованы как управляющие.

Целью настоящей работы является обоснование управления неизотермическим водяным распылом путем варьирования его распределенными параметрами неустойчивых состояний.

Для контроля за динамикой структурообразования важно определять свойства устойчивости типа течения, температурного и скоростного распределений и восприимчивости к физико-химическим возмущениям. Имея такое описание, можно определить задачу управления, которая включает в себя выбор цели решений и соответствующих “рычагов” управления.

Из теории автоматизированного управления известно, что в линейной системе с помощью программного управления (отсутствует обратная связь) невозможно подавить неустойчивые возмущения. По этой причине стабилизирующую систему управления орошением целесообразно основывать на воздействиях с обратной связью. Таким образом, суть рассматриваемой задачи заключается в изменении конечного числа точек неизотермического потока дискретного спектра, соответствующего распределенному объекту управления.

Сложность распределенных систем резко возрастает, как только требуется стабилизировать неустойчивость течений существенно неоднородных по пространственным переменным. Также возрастают трудности технической реализации подобных управлений. Так, распределение параметров струи в нагретой среде при авариях и пожарах неоднородно по пространственным переменным. В таких условиях практический интерес имеет стабилизация неустойчивости струи с учетом распределения параметров по ее длине. Для такого расширения области управления необходимо использовать многоканальную систему с привлечением более подробной информации о потери устойчивости течения.

Вариационная задача формируется следующим образом: среди управлений требуется найти такое, которое доставляет минимум функционалу образования вихрей при заданной дифференциальной связи и условиях в точках истечения и потери осесимметричности потока. При этом предполагается, что функционал характеризует динамику смешения и величину приложенного “рычага”, отсчитываемых от точки истечения.

Отыскание совокупности управлений минимизирующих динамику нарастания возмущений, сводится к совместному интегрированию системы уравнений в частных производных с краевыми условиями, что является весьма сложной проблемой. При этом сложность состоит в том, что не удается найти ни одного автомодельного решения вариационной задачи, удовлетворяющего всем краевым условиям. Поэтому в ряде практических случаев остается пока ограничиваться эвристическими идеями при построении вычислительной последовательности.

В теории турбулентных струй количественный расчет осредненного течения доводится до конца только при введении некоторых эмпирических постоянных. Их численные значения при обосновании условий безопасной эксплуатации меняются сравнительно широко. Однако сложная картина течения достаточно четко подчиняется внешним, произвольно задаваемым факторам и обобщается в исследуемом диапазоне при помощи критерия в виде теоретического минимума, достижимого управлением.

Анализ экспериментальных данных показывает, что существует двойственное влияние физических и химических воздействий на устойчивость неизотермического потока. Так, имеет место варьирование пульсаций температуры и скорости, длины начального участка, угла раскрытия и способности к эжекции. В таких условиях для выработки стратегии управления следует постоянно учитывать динамику структурообразования и, как следствие, мгновенные показатели восприимчивости течения. Другими словами необходимо вести расчет для случая с подвижными концами, основанный на условиях трансверсальности. Однако это вызывает определенные сложности замыкания системы условий для краевой задачи.

Более рациональным подходом управления является определение разного рода дискретных составляющих потока и оказание активного воздействия на соответствующую его область или изменение направления и характера движения выделенной субгармоники турбулентности. Это существенно сужает количество, комбинированность и широту диапазона изменения параметров “рычагов” управления.

Радикально новым подходом управления неизотермическими струями является искусственное создание дискретной составляющей движения с задаваемыми характеристиками и оказание воздействия на нее специально подготовленным средством. Также перспективно введение химической примеси инициирующейся на возникающих тепловых неоднородностях.