Информационные технологии для электроразрядных процессов

Информационные технологии для электроразрядных процессов

Application of information technologies for researching and modeling processes of electric discharge allows wider introduction of new technologies, based on electric discharge technologies to industry.

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2014
Автор: Тищенко, А.В.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2014
Назва видання:Комп’ютерні засоби, мережі та системи
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/84840
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Информационные технологии для электроразрядных процессов / А.В. Тищенко // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2014. — № 13. — С. 141-147. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-84840
record_format dspace
spelling irk-123456789-848402015-07-17T03:02:07Z Информационные технологии для электроразрядных процессов Тищенко, А.В. Application of information technologies for researching and modeling processes of electric discharge allows wider introduction of new technologies, based on electric discharge technologies to industry. Застосування інформаційних технологій у вивченні і моделюванні електророзрядних процесів дасть можливість ширше впроваджувати електророзрядну технологію в промисловість. Применение информационных технологий в изучении и моделировании электроразрядных процессов даст возможность более широко внедрять электроразрядную технологию в промышленность. 2014 Article Информационные технологии для электроразрядных процессов / А.В. Тищенко // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2014. — № 13. — С. 141-147. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1817-9908 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/84840 381.3 ru Комп’ютерні засоби, мережі та системи Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Application of information technologies for researching and modeling processes of electric discharge allows wider introduction of new technologies, based on electric discharge technologies to industry.
format Article
author Тищенко, А.В.
spellingShingle Тищенко, А.В.
Информационные технологии для электроразрядных процессов
Комп’ютерні засоби, мережі та системи
author_facet Тищенко, А.В.
author_sort Тищенко, А.В.
title Информационные технологии для электроразрядных процессов
title_short Информационные технологии для электроразрядных процессов
title_full Информационные технологии для электроразрядных процессов
title_fullStr Информационные технологии для электроразрядных процессов
title_full_unstemmed Информационные технологии для электроразрядных процессов
title_sort информационные технологии для электроразрядных процессов
publisher Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
publishDate 2014
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/84840
citation_txt Информационные технологии для электроразрядных процессов / А.В. Тищенко // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2014. — № 13. — С. 141-147. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series Комп’ютерні засоби, мережі та системи
work_keys_str_mv AT tiŝenkoav informacionnyetehnologiidlâélektrorazrâdnyhprocessov
first_indexed 2025-07-06T11:58:08Z
last_indexed 2025-07-06T11:58:08Z
_version_ 1836898675293421568
fulltext Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 141 A. Tyshchenko INFORMATION TECHNOLOGIES FOR ELECTRIC DISCHARGE Application of information technolo- gies for researching and modeling processes of electric discharge al- lows wider introduction of new tech- nologies, based on electric discharge technologies to industry. Key words: electric discharge, virtu- al laboratory. Застосування інформаційних тех- нологій у вивченні і моделюванні електророзрядних процесів дасть можливість ширше впроваджу- вати електророзрядну технологію в промисловість. Ключові слова: електроразрядні процеси, віртуальна лабораторія. Применение информационных технологий в изучении и моделиро- вании электроразрядных процессов даст возможность более широко внедрять электроразрядную тех- нологию в промышленность. Ключевые слова: электроразряд- ные технологии, виртуальная ла- боратория.  А.В. Тищенко, 2014 УДК 381.3 A.В. ТИЩЕНКО ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫХ ПРОЦЕССОВ Введение. В естественных науках, таких как физика, биофизика, электротехника, биоло- гия, физиология, медицина, экология и т. д. динамические модели играют важную роль. Все большее количество исследователей ис- пытывают потребность в построении дина- мических моделей для формализации пред- ставлений об объекте, получения качествен- ных и количественных прогнозов поведения, изучаемых систем в различных условиях. Однако прямой натурный эксперимент над многими экологическими, химическими и иными системами, изучаемыми современной наукой, зачастую оказывается долгим, доро- гостоящим, часто, либо опасным, либо по- просту невозможным. Вычислительный экс- перимент позволяет провести исследование быстрее и дешевле. Математическое модели- рование в таком исследовании является од- ной из важнейших составляющих [1], кото- рую можно реализовать на базе виртуальной лаборатории. Уровень развития и распространенность компьютерной техники и информационных технологий таковы, что использование тех- нологий виртуальных лабораторий стало не только возможным, но и во многом незаме- нимым [2, 3]. Составной частью понятия «виртуальная лаборатория» является распространенное техническое понятие виртуального инстру- мента – набора аппаратных и программных средств, добавленных к обычному компью- теру таким образом, что пользователь полу- чает возможность взаимодействовать с ком- пьютером как со специально разработанным А.В. ТИЩЕНКО Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 142 для него обычным электронным прибором. Существенная часть виртуального инструмента и виртуальной лаборатории – эффективный графический интер- фейс пользователя, т. е. программный инструментарий с развитой системой гра- фического меню в виде наглядных графических образов предметной области пользователя, обеспечивающий удобный интерактивный режим взаимодействия с компьютером. Работая с виртуальным инструментом через графический ин- терфейс, пользователь на экране монитора видит привычную переднюю панель, имитирующую реальную панель управления прибора. Структурная схема такой лаборатории показана на рис. 1. РИС. 1. Структурная схема виртуальной лаборатории Обширная библиотека виртуальных инструментов на сервере имитирует действие нужного измерительного прибора или системы, максимально приспо- собленных для решения конкретной поставленной задачи. Передняя панель или иерархия передних панелей, вызываемых по мере необходимости перехода в тот или иной режим работы, позволяет оптимально планировать управление экспе- риментом. Ограничениями в выборе архитектуры и функциональных возможно- стей становятся характеристики компьютера и существующая библиотека мате- матических функций. Проблемам применения средств информационных компь- ютерных технологий в разных предметных областях посвящены работы В.А. Далингера, П.П. Дьячука, М.П. Лапчика и др. Вопросами создания исполь- зования виртуальных лабораторий занимались Д.В. Котеров, Н.С. Лесков и мно- гие другие. Для разработки такой системы необходимо решить такие задачи: − постановка цели виртуальной лаборатории; − выбор и разработка интерфейса; ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ … Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 143 − выбор микроконтроллера, датчиков, а в случае необходимости и управ- ляющих элементов; − разработка средств передачи данных микроконтроллер-компьютер- сервер; − разработка протокола передачи данных между клиентом и сервером. В таком случае виртуальную лабораторию можно рассматривать как аппа- ратно-программный инструментарий, используемый в качестве объектно- ориентированной информационной среды для эффективного интерактивного взаимодействия пользователя со средой моделирования. Это позволяет пользо- вателю, находящемуся на любом расстоянии от объекта, в интерактивном режи- ме оперативно конструировать в операционной среде компьютера изображение передней панели нужного инструмента или группы инструментов – испытатель- ную лабораторию для выполнения требуемой задачи. Также важное преимуще- ство виртуальной лаборатории – это возможность наглядной имитации реально- го физического эксперимента путем использования, наряду с привычными изо- бражениями приборов, не только имитационных моделей реальных сигналов, но также и полученных ранее реальных экспериментальных данных, хранящихся в соответствующих файлах. В Институте кибернетики имени В.М. Глушкова НАН Украины разрабаты- вается виртуальная лаборатория для моделирования электроразрядных процес- сов. Электроразрядная технология разрушения твердых тел основана на исполь- зовании энергии высоковольтного электрического разряда в жидкости и реали- зуется скважинным устройством. Технология включает бурение шпуров диа- метром до 45 мм, глубиной до 600 мм и шагом 300÷600 мм. Шпур заполняется водой и закрывается скважинным устройством (электродной системой), на кото- рое подается высоковольтный импульс с крутизной фронта до 2*1011 А/с энер- гией до 100 кДж. При этом в жидкости шпура формируется импульсное давле- ние до ~ 1000 МПа, которое и разрушает твердое тело. Электрический разряд в конденсируемых средах, в частности жидкости, можно условно разделить на три последовательных стадии: предпробивная ста- дия, на протяжении которой в среде формируется плазменный канал, который замыкает промежуток между электродами; канальная стадия развития разряда, на протяжении которой в канале выделяется энергия накопителя, растет ток, увеличиваются электропроводимость, температура, давление и т. д., что приво- дит к резкому увеличению диаметра канала разряда и генерации акустических возмущений в среде (ударные волны, волны сжатия, явления кавитаций); завер- шающая стадия, когда все электрические процессы в канале разряда заканчива- ются, и плазма канала вырождается в парогазовую полость несколькими пульса- циями, создавая в среде знакопеременную нагрузку [4]. Простая разрядная схема показана на рис. 2. Такие большие значения энергии и быстрое ее выделение за единицы или десятки микросекунд в малом объеме влекут процесс, аналогич- ный взрыву химических взрывчатых веществ. А.В. ТИЩЕНКО Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 144 РИС. 2. Простая разрядная схема (электрический контур): С – емкостной накопитель, L – индуктивная нагрузка, r – активное сопротивление, K – коммутатор (замыкающий ключ), U – напряжение Электроразрядная технология широко используется в промышленности и к настоящему времени освоен серийный выпуск установок для очистки литья, штамповке плоских и трубчатых заготовок, развальцовке труб в трубных досках и т. д. Поиск новых областей применения электроразрядной технологии в маши- ностроении (калибровка, упрочнение, снятие остаточных напряжений в конст- рукциях и др.), металлургии (прессование, очистка деталей от окалины, регене- рация формовочных и стержневых смесей и многое другое), в горной (геолого- разведочные работы, измельчение и обогащение руд и т. д.), нефтегазовой (бу- рение скважин, разглинизация и декольматация скважин), химической (пиролиз жидких углеводородов, полимеризация веществ) и строительной (уплотнение грунта, активизация растворов, цемента и т. д.) промышленностях. Широкий спектр возможных сочетаний условий протекания процесса со свойствами и ха- рактеристиками объекта воздействия создает исключительные перспективы для поиска новых полезных применений электроразрядной технологии. В настоящее время развернута работа по исследованию возможностей элек- троразрядной технологии применительно к горной (бурение скважин, измельче- ние руд, отбойка камня, разрушение негабаритов), строительной (разрушение некондиционных железобетонных изделий, приготовление дорожных покрытий и т. д.) и некоторых других промышленностей. Для переработки горнорудного сырья и дезинтеграции геологических проб осваивается электроимпульсный дробильно-измельчительный комплекс. Кроме указанных областей электро- взрыв в конденсированных средах представляет определенный интерес в науч- ном эксперименте. Здесь искровой канал и электрически взрываемый проводник интересны как источники света регулируемой высокой яркости и регулируемой геометрии с точной временной привязкой. Формирование канала разряда в различных средах зависит от его свойств, основными из которых являются электрофизические (диэлектрическая прони- цаемость, удельная электропроводность), физико-механические (плотность, состав, структура, прочность и т. д.) и физико-химические свойства (типы хими- ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ … Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 145 ческих связей, термодинамические и термохимические характеристики атомов, ионов, радикалов, потенциалы ионизации, энергия связей и т. д.). Изучением электрического пробоя конденсированных сред занимались ученые различных стран и значительный вклад в развитие теории внесли отечественные и зарубежные специалисты А. Смуров, А. Вальтер, Б. Вул, Г. Сканави, А. Воробьев, Г. Воробьев, А. Хиппель, Г. Коллен, В. Франц, В. Чуенков, Л. Инге, В. Ушаков, Т. Льюис, Ю. Вершинин, Л. Диссадо, Ш. Фазегилл и многие другие, которые создали основы физики электрического пробоя жидких и твердых тел. Однако, несмотря на успехи теории, до настоящего времени нет надежных количественных методов инженерного расчета электрической прочности конденсированных сред, что связано с необычайным разнообразием свойств твердых и жидких материалов. Поэтому экспериментальные методы являются по существу основными на данном этапе развития при оценке электрической прочности или амплитуды пробивного напряжения для реальных материалов и сред [5]. Недостаточно исследованы и характеристики высоковольтного электрического разряда в замкнутых и ограниченных объемах жидкости. Это вызвано как трудностью оптического наблюдения в эксперименте, так и сложностью математических моделей для теоретических исследований. Применение современных информационных технологий позволит проводить необходимое количество экспериментов для исследования электродинамических характеристик ПЭВ без затрат на приобретение ма- териалов и оборудования и сократить временные сроки исследований. Для быстрой адаптации электроразрядной технологии под конкретную прикладную задачу необходимо знать наиболее существенно влияющие фак- торы и уметь ими управлять с помощью изменения параметров электрического контура, показанного на рис. 2. Информационные технологии могут использоваться для решения следующих задач при изучении и применении ПЭВ: • моделирование ПЭВ в учебных целях; • моделирование ПЭВ для расчета основных параметров промышленных установок; • расчет характеристик ПЭВ для оптимизации процесса электрогид- равлического разрушения или обработки веществ; • управление импульсными процессами для эффективного использования электрической энергии в современных разрядно-импульсных технологиях. С использованием моделей, в основе которых лежат параметры возможной формы ударной волны и длительности импульса, можно смоделировать и рассчитать характеристики процесса измельчения материалов и предварительно спроектировать установку для гидроэлектрического измельчения разнообразных материалов для получения порошков [6]. Несмотря на то, что в работе [7] осу- ществлена попытка оценить влияние тех или других факторов на процесс измельчения, тем не менее, в целом картина электрогидравлического процесса А.В. ТИЩЕНКО Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 146 для данной прикладной задачи остается недостаточно изученной для внедрения этой технологии в промышленность. Разрабатываемая в Институте кибернетики имени В.М. Глушкова НАН Ук- раины виртуальная лаборатория позволит в удобном режиме осуществить моде- лирование процессов разряда на основе математических моделей объекта управ- ления, используя технологию ПЭВ для разрушения негабаритов в ограниченном объеме жидкости. Здесь объектом управления является электроразряд. В работе [8] была получена замкнутая система уравнений для двух случаев высоковольт- ного разряда в ограниченном объеме жидкости. Для первого случая – разряд в малом замкнутом объеме шпура, приведенное далее выражение (1) определяет импульсное давление в жидкости (давление на стенку шпура). ( ) ( ) ( ) ( ) 2 1 2 001 12         −γ +γ = CM tEAntPk , (1) где A, n – постоянные в уравнении Тета (A = 300 МПа, n = 7); М0 – масса воды в разрядной камере; С0 – скорость звука в жидкости; γ – эффективный показатель адиабаты ( γ =1,24). Во втором случае плазменный канал рассматривался в [9] как поршень, ге- нерирующий в достаточно длинном шпуре волну сжатия. Функция давления ос- редненная по длине шпура 0H в этом случае представлена следующей моде- лью: ( ) ∫ ∂ ϕ∂ρ −= 0 00 0 H dx tH tP , (2) где ρ0 – плотность, φ – потенциал скоростей возмущенного движения жидкости. Полученные в [8] системы уравнений можно рассматривать как математиче- ские модели объекта управления и использовать для проверки эффективности синтезированных законов управления вводом энергии в канал разряда. Входя- щими параметрами объекта (см. рис. 3) здесь являются параметры U0, L, C, R, объем жидкости и ее физические свойства (плотность и скорость звука). Пара- метрами управления законом ввода энергии могут быть L(t), C(t), R(t). Выходящим параметром объекта управления является импульсное давление в жидкости ( )tPk . Недостаточно исследованы и характеристики высоковольтного электри- ческого разряда в замкнутых и ограниченных объемах жидкости. Это вызвано как трудностью оптического наблюдения в эксперименте, так и сложностью математических моделей для теоретических исследований. Применение современных информационных технологий позволит прово- дить необходимое количество экспериментов для исследования электродина- мических характеристик ПЭВ без затрат на приобретение материалов и обо- рудования, сократить временные сроки исследований. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ … Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 147 РИС. 3. Упрощенное изображение объекта управления При разработке виртуальной лаборатории поставлены следующие требования: • веб-ориентированная; • наличие диалогового режима; • возможность совместного доступа. Проведен анализ основных программных и аппаратных средств для реше- ния поставленных задач. Для реализации предметной области будут использо- ваны элементы математического и имитационного моделирования, а также ме- тоды и средства объектно-ориентированного программирования. Выводы. Показано, что разработка виртуальной лаборатории моделирова- ния и управления электроразрядными процессами является достаточно сложной и комплексной проблемой, решение которой позволит заменить натурный экс- перимент и проводить исследования оптимизировав временные и денежные за- траты. 1. Пономарева И.С. Разработка виртуальной лаборатории математического моделирования для решения естественнонаучных задач: Автореф. дис. … канд. техн. наук. – Астрахань. – 2006. – 25 с. 2. Durlach N.I. and A.S. Mavor (Eds). Virtual Reality Scientific and Technological hallenges. – National Academy Press: Washington, 1995.DC.– P. 1–40. 3. Burdea G. and P. Coiffet. Virtual Reality Technology // John Wiley and Sons: New York, 1994. – N Y. – 15 p. 4. Гулый Г.А. Научные основы разрядно-импульсных технологий. – Киев: Наук. мысль, 1990. – 208 с. 5. Курец В.И., Соловьев М.А., Жучков А.И. и др. Электроразрядные технологии обработки и разрушения материалов: учебное пособие для студентов высших учебных заведений. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. – 271 с. 6. Строков М.А. О механизмах измельчения минеральных материалов импульсным элек- трическим разрядом в жидкости // Молодежный научно-технический вестник. – 2013, ап- рель [http://sntbul.bmstu.ru/doc/564404.html]. 7. Виноградов Б.В. Особенности гидродинамических процессов при импульсном электриче- ском разряде в ограниченном объеме жидкости // Вопросы химии и химической техноло- гии. – Днепропетровск: УДХТУ, 2004. – № 2. – С. 190–192. 8. Блинцов В.С., Тищенко А.В. Высоковольтный электрический разряд в ограниченном объе- ме жидкости как объект управления // Прикладная электродинамика. – Киев: 2008. – Т. 7. – С. 74–78. Получено 15.09.2014 E(t) Pk(t) Плазменная полость Акустическая среда E(t)=E(U,C,L,R)

Схожі ресурси