Modeling of physical processes of energy conversion in small-sized vortex energy separators

Abstract

The object of study in the article is the vortex effect of temperature separation in a rotating gas flow, which is realized in small-sized vortex energy separators. The subject matter is the models that describe the physical processes of energy conversion in small-sized vortex energy separators as objects of automatic control. The goal is to obtain models of a vortex energy separator reflecting its static and dynamic properties as an automatic control object. The tasks to be solved are: to develop a three-dimensional computer model of a small-sized vortex energy separator which will allow analyzing the parameters of the gas flow and physical processes of energy conversion directly inside the object and obtaining its static characteristics. A linearization method of static characteristics on the interval of input and output values is proposed which will expand the operating range without loss of linearization accuracy. A method of structural-parametric identification based on experimental logarithmic magnitude-frequency characteristics is proposed which will allow for the same set of experimental points to select the structure of the mathematical model of varying complexity depending on the specified accuracy. As a result of the work, the scheme for modeling the automatic control object was formed, consisting of the drive unit, sensor unit, and vortex energy separator, with the reflection of all the obtained operating modes. The methods used are the method of graphic linearization, Laplace transform, structural-parametric identification. The following results were obtained: a computer and linearized mathematical model of the small-sized vortex energy separator as an automatic control object reflecting its properties in the time and frequency domains was obtained. A comparative analysis of the reactions of the model and the real object to the same input action was carried out. Conclusions. The scientific novelty of the results obtained is as follows: 1) multiple graphic linearizations of one static characteristic to use the full range of the operation mode of vortex energy separator, which distinguishes it from the known;2) mathematical model structural-parametric identification for vortex energy separator with the help of known points of the Bode magnitude plots by using the interpolation polynomial and its derivatives graphs.

Об’єктом дослідження в статті є вихровий ефект температурної сепарації в обертовому потоці газу, який реалізується в малогабаритних вихрових сепараторах енергії. Предметом дослідження є моделі, що описують фізичні процеси перетворення енергії в малогабаритних вихрових сепараторах енергії як об’єктах автоматичного керування. Мета – отримати моделі вихрового сепаратора енергії, що відображають його статичні та динамічні властивості як об’єкта автоматичного керування. Завдання, які вирішуються: розробити тривимірну комп’ютерну модель малогабаритного вихрового сепаратора енергії, яка дозволить аналізувати параметри газового потоку та фізичні процеси перетворення енергії безпосередньо всередині об’єкта та отримувати його статичні характеристики. Запропоновано метод лінеаризації статичних характеристик на інтервалі вхідних і вихідних значень, який дозволить розширити робочий діапазон без втрати точності лінеаризації. Запропоновано метод структурно-параметричної ідентифікації на основі експериментальних логарифмічних амплитудно-частотних характеристик, який дозволить з однієї і тієї ж сукупності експериментальних точок вибрати структуру математичної моделі різної складності в залежності від заданої точності. В результаті роботи сформовано схему моделювання об’єкта автоматичного керування, що складається з блоку приводу, блоку датчиків та вихрового сепаратора енергії з відображенням усіх отриманих режимів роботи. Використані методи: метод графічної лінеаризації, перетворення Лапласа, структурно-параметрична ідентифікація. Отримано наступні результати: отримано комп’ютерну та лінеаризовану математичну модель малогабаритного вихрового сепаратора енергії як об’єкта автоматичного керування, що відображає його властивості в часовій та частотній областях. Проведено порівняльний аналіз реакцій моделі та реального об'єкта на однакову вхідну дію. Висновки. Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному: 1) багаторазова графічна лінеаризація однієї статичної характеристики для використання повного діапазону режиму роботи вихрового сепаратора енергії, що відрізняє його від відомих; 2) математична модель структурно-параметричної ідентифікації для вихровий сепаратор енергії за допомогою відомих точок графіків величини Боде за допомогою інтерполяційного полінома та графіків його похідних.

Объектом исследования в статье является вихревой эффект температурного разделения во вращающемся потоке газа, который реализуется в малогабаритных вихревых энергосепараторах. Предметом исследования являются модели, описывающие физические процессы преобразования энергии в малогабаритных вихревых энергосепараторах как объектах автоматического управления. Цель состоит в том, чтобы получить модели вихревого энергосепаратора, отражающие его статические и динамические свойства как объекта автоматического управления. Задачи, которые предстоит решить: разработать трехмерную компьютерную модель малогабаритного вихревого энергосепаратора, которая позволит анализировать параметры газового потока и физические процессы преобразования энергии непосредственно внутри объекта и получать его статические характеристики. Предложен метод линеаризации статических характеристик на интервале входных и выходных значений, который позволит расширить рабочий диапазон без потери точности линеаризации. Предложен метод структурно-параметрической идентификации на основе экспериментальных логарифмических амплитудно-частотных характеристик, который позволит по одному и тому же набору экспериментальных точек выбирать структуру математической модели различной сложности в зависимости от заданной точности. В результате работы сформирована схема моделирования объекта автоматического управления, состоящего из блока привода, блока датчиков и вихревого энергоразделителя, с отражением всех полученных режимов работы. Используемые методы: метод графической линеаризации, преобразование Лапласа, структурно-параметрическая идентификация. Получены следующие результаты: получена компьютерная и линеаризованная математическая модель малогабаритного вихревого энергосепаратора как объекта автоматического управления, отражающая его свойства во временной и частотной областях. Проведен сравнительный анализ реакций модели и реального объекта на одно и то же входное воздействие. Выводы. Научная новизна полученных результатов заключается в следующем: 1) многократные графические линеаризации одной статической характеристики для использования всего диапазона режима работы вихревого энергосепаратора, что отличает его от известных; 2) структурно-параметрическая идентификация математической модели для сепаратор энергии вихря с помощью известных точек графика величины Боде с использованием интерполяционного полинома и графиков его производных.