В рамках нацпроекта «Цифровая экономика» и политики импортозамещения ученые Южно-Уральского государственного университета запатентовали программу для создания «цифровых двойников» энергетических установок. Разработка найдет применение при совершенствовании гибридных ветроэнергетических установок, в военной и гражданской технике, при создании насосных и компрессорных установок, транспортных средств и другой техники, имеющей двигатель внутреннего сгорания.
Энергетическая установка представляют собой комплекс взаимосвязанного оборудования и сооружений для производства, передачи, накопления, распределения или потребления энергии. Она используются в промышленности, сельском хозяйстве, для отопления и снабжения электроэнергией населенных пунктов, в частности тех, что расположены в северных регионах России, где температура в зимний период опускается до -50°С и ниже. «Цифровой двойник» энергетической установки, созданный на базе программы ученых ЮУрГУ, в десятки раз снизит финансовые затраты на проектирование и испытания таких энергоустановок, а также существенно повысит их эффективность.
Виртуальная энергоустановка
Программа для создания имитационных моделей когенерационных (комбинирующих выработку электрической и тепловой энергии) энергетических установок запатентована в 2019 году, по данной теме также опубликована научная статья в журнале Lecture Notes in Mechanical Engineering.
Имитационная модель представляет собой виртуальную энергоустановку с поршневым двигателем внутреннего сгорания, «собираемую мышкой» на экране компьютера из набора параметризованных компонентов. Она позволяет проводить расчетные эксперименты с цифровой моделью энергоустановки на виртуальном стенде: другими словами, реальный эксперимент заменяется его имитацией.
«Двигатели внутреннего сгорания должны функционировать в широком диапазоне внешних условий, в том числе на высоте до 5000 метров над уровнем моря и при температуре воздуха от +50°С до -50°С. Где мы найдем такие условия для проведения испытания? Это практически невозможно, нужно дорогостоящее климатическое оборудование. Использование нашего программного обеспечения позволяет существенно уменьшить затраты на проведение экспериментальных исследований», — отмечает автор патента, доктор технических наук, профессор кафедры колесных и гусеничных машин Политехнического института ЮУрГУ Андрей Малозёмов.
Для этого ученые используют «цифровые двойники» двигателя, объекта его применения и испытательного стенда, характеристики которых практически полностью соответствуют реальным, и проводят виртуальный эксперимент. Программное обеспечение позволяет имитировать все внешние условия: механическую, электрическую и тепловую нагрузку, температуру воздуха, давление окружающей среды, высоту над уровнем моря и др.
С помощью программы ученые ЮУрГУ определяют оптимальные конструктивные характеристики двигателя энергоустановки. Меняя какие-либо параметры, например, нагрузку или температуру окружающего воздуха, они наблюдают, как изменилась электрическая и тепловая мощность энергоустановки, выбросы вредных веществ в окружающую среду и др.
Необходимые изменения вносятся в имитационную модель, затем проверяется, как они влияют на показатели работы двигателя и энергоустановки. Полностью избавиться от эксперимента нельзя. Однако он проводится на конечном этапе, когда близкие к оптимальным характеристики уже подобраны. Программа для создания имитационных моделей когенерационных энергетических установок, разработанная в ЮУрГУ, по функциональным возможностям не уступает зарубежным аналогам, но является более гибкой: в математические модели компонентов можно внести изменения на всех этапах создания цифрового двойника энергоустановки.
.jpg)
Пример моделирования медленного процесса предпускового разогрева двигателя
Утилизировать с умом
Особое внимание специалисты уделяют увеличению количества тепловой энергии, утилизируемой от двигателя. Коэффициент полезного действия поршневого двигателя не превышает 40–45%, остальная часть энергии (60% и более) безвозвратно теряется в окружающую среду. Оптимизируя с помощью имитационной модели конструктивные характеристики и параметры работы двигателя, ученые смогут утилизировать большую часть вырабатываемой энергии, чтобы в дальнейшем ее использовать, например, для отопления зданий.
СМИ о нас:
В России создали программу, в разы снижающую затраты на проектирование ветроустановок