COMPUTER SYSTEM FOR THE SIMULATION OF THE HEAT TRANSFER IN A STONE REGENERATOR

Transkrypt

1 Wojciech MUELLER, Sergiusz MAĆKOWIAK, Idzi SIATKOWSKI * Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu Instytut Inżynierii Rolniczej * Katedra Metod Mateatycznych i Statystycznych COMPUTER SYSTEM FOR THE SIMULATION OF THE HEAT TRANSFER IN A STONE REGENERATOR Suary The research of the heat exchange in the stone regenerator with a randoised substrate bed and a stochastic teperature of the environent, leading to identification of the characteristics of rando physical values describing that process is practically ipossible to conduct without a dedicated coputer syste. The basis for the construction of this cofortable and, at the sae tie, essential research tool was the original atheatical odel created with the use of deductive inference and taking into account the conditioning entioned above and the irregularity of the air flow through the bed recognised earlier. The coputer syste presented by the authors was created according to the rules of software engineering and using graphic notation UML 2.0 in the odelling process. It is also worth noting the fact of partly iaging the ethodology of further research in the application, the conducting of which had to have been preceded by the process of the test application and the epirical verification of the odel. SYSTEM INFORMATYCZNY DO SYMULACJI PRZEPŁYWU CIEPŁA W KAMIENNYM AKUMULATORZE Streszczenie Badanie przepływu ciepła w kaienny akuulatorze ciepła o strukturze losowej złoża oraz stochastyczny charakterze teperatury otoczenia, zierzające do identyfikacji cech losowych wielkości fizycznych, opisujących ten proces jest praktycznie nieożliwe bez posiadania dedykowanego systeu inforatycznego. Podstawą budowy tego wygodnego, a zaraze niezbędnego narzędzia badawczego był oryginalny odel ateatyczny, powstały na drodze wnioskowania dedukcyjnego, uwzględniający sygnalizowane powyżej uwarunkowania oraz rozpoznaną wcześniej nierównoierność przepływu powietrza przez złoże. Prezentowany przez autorów syste inforatyczny, wytworzono zgodnie z regułai inżynierii oprograowania, stosując w procesie odelownia dziedziny probleowej notację graficzną UML 2.0. Ważny odnotowania jest również fakt, odwzorowania w aplikacji częściowo etodyki dalszych badań, których realizacja usiała być poprzedzona procese testowanie aplikacji i epirycznej weryfikacji odelu. 1. Wprowadzenie Efektywne badania i wyjaśnianie systeów epirycznych rolnictwa wyaga szeregu zabiegów poznawczych, wśród których kluczowy eleente jest odelowanie wsponianych systeów z interesującej nas perspektywy. Ten sposób postępowania pozwala na zapanować nad złożonością rzeczywistości, a z drugiej strony dostarcza narzędzi istotnych z utylitarnego punktu widzenia. Satysfakcjonujący nas rezultate podjętych wysiłków badawczych jest uzyskanie odelu zapisanego w forie struktur ateatycznych. Kolejny krokie naszych poczynań badawczych, występujący coraz częściej, jest odwzorowanie otrzyanego odelu ateatycznego w postaci obiektów inforatycznych, tworzących aplikację. Z uwagi na przyjętą przez autorów teatykę badawczą, obejującą procesy cieplne zachodzące w kaienny akuulatorze o losowej strukturze wypełnienia i stochastyczny oddziaływaniu otoczenia powyższa etodyka postępowania wydaje się rozwiązanie w pełni uzasadniany, pozbawiony na dzień dzisiejszy alternatywy. Uwzględnienie w procesie odelowania losowości iplikuje probabilistyczny charakter wielkości fizycznych, opisujących proces cieplny. Identyfikacja ich cech losowych poprzez badanie systeów epirycznych jest praktycznie nieożliwa przy zachowaniu kryteriu racjonalności. Tych ograniczeń eksploracyjnych nie napotykay, gdy dysponujey odpowiedni syste inforatyczny. 2. Model ateatyczny przepływu ciepła Podstawą budowy prezentowanego systeu inforatycznego był nowy probabilistyczny odel przepływu ciepła zachodzącego w kaienny regeneratorze podczas fazy ładowania, który pełniej, w stosunku do wcześniejszych odeli [4] uwzględnia losowość struktury złoża przy jednoczesny odwzorowaniu nierównoierności przepływu powietrza przez akuulator. Postać odelu tworzy poniższych układu równań ultiplikowany podziałe akuulatora na sekcje w płaszczyźnie YZ: Tf c ( ) f = ha Tf T (1) x T B( 1 ε ) ρc = ha( Tf T ) UAww ( T Tfe) (2) t wraz z warunkai początkowo-brzegowyi: dla x = 0: T = (3) f T fo oraz dla t = 0 : T = (4) T p 51

2 gdzie: A - powierzchnia iędzyfazowa przypadająca na jednostkę długości regeneratora, A ww - wewnętrzna powierzchnia graniczna akuulatora przypadająca na jednostkę długości regeneratora, B - wielkość pola przekroju poprzecznego regeneratora, T f - teperatura płynu, T - teperatura kaienia, T fo - teperatura płynu wchodzącego do złoża, T fe - teperatura otoczenia, T p - teperatura początkowa agazynu, h - współczynnik wnikania ciepła na granicy dwóch ośrodków, c f i c - ciepło właściwe płynu i kaienia, & - asowe natężenie przepływu, ε - porowatość ośrodka, ρ - gęstość kaienia, t U x - czas, - współczynnik wyiany ciepła poiędzy ścianą regeneratora a otoczenie, - współrzędna liniowa. Wielkości podkreślone w powyższych równaniach to zienne losowe. Pełniejszy opis odelu stanowi treść pracy doktorskiej [4] i w najbliższy czasie zostanie zaprezento- wany w publikacji. 3. Projektowanie systeu inforatycznego Faza projektowania aplikacji została poprzedzona przyjęcie następujących założeń, wynikających iędzy innyi z ogólnych wyagań kierowych pod adrese systeu: zostanie w ni odwzorowany zarówno odel probabilistyczny, jak i deterinistyczny przepływu ciepła, integralną część aplikacji stanowić będzie oduł wizualizacyjny, wspoagający analizę danych. Prezentowane narzędzie badawcze, a w przyszłości być oże również przydatne dla praktyki, zostało zaprojektowane zgodnie z regułai inżynierii oprograowania [1] przy wykorzystaniu języka odelowania UML 2.0. Modelowanie dziedziny probleowej zostało wykonane za poocą prograu Visual Paradig for UML 6.4 Counity Edition. Efekte tego etapu prac były diagray przypadków użycia, klas obiektów, czynności oraz koponentów. Funkcje systeu KaAK w wersji 2.0, będące rozpoznanyi wyaganiai użytkowników, którzy są jednocześnie wytwórcai oprograowania zaprezentowano w postaci diagrau przypadków użycia na rys. 1. Rys. 1. Diagra przypadków użycia Fig. 1. The diagra of cases of use 52

3 Rys. 2. Diagra klas statyczna perspektywa systeu Fig. 2. The diagra of the classes the static perspective of the syste Perspektywę statyczną odelowanego systeu odwzorowano w diagraach klas [3]. Każda z klas reprezentowana jest za poocą zestawu atrybutów i operacji, stanowiących zestaw inforacji i działań. Uzyskane diagray to również efekt wielopozioowego odelowania trwałych danych, które zostaną posadowione w systeie zarządzania bazai danych. Ten proces był prowadzony współbieżnie z projektowanie aplikacji i stanowił jego integralną część. Rezultaty tego etapu odelowania przedstawiono na rys. 2. Cele poprawy czytelności wsponianego diagrau ograniczono się do przedstawienia na ni tylko atrybutów i operacji o dostępie publiczny. 4. Syste inforatyczny do badania i wizualizacji przepływu ciepła Faza odelowania w połączeniu z uzyskanie końco- 53

4 wego produktu, jaki jest wytworzona aplikacja okienkowa ukazuje, iż jest ona czyś więcej niż tylko odwzorowanie nowego probabilistycznego odelu wyiany ciepła opisującego fazę ładowania kaiennego regeneratora. Zawiera ona również w sobie eleenty, które związane są z etodyką dalszych badań. Ipleentacja zaprojektowanego systeu została dokonana z wykorzystanie języka C# i szeregu bibliotek dostępnych w środowisku prograistyczny Visual Studio 2008 firy Microsoft [2]. Przeprowadzenie syulacji koputerowej przepływu ciepła w kaienny regeneratorze przy wykorzystaniu prezentowanej aplikacji wyaga uprzedniego określenia wielu paraetrów charakteryzujących kaienny akuulator, przebieg procesu ładowania itd. Realizowane jest to z poziou forularza, który staje się aktywny bezpośrednio po uruchoieniu aplikacji lub przejście do niego jest ożliwe poprzez wykorzystanie panelu nawigacyjnego zlokalizowanego po lewej stronie forularza rys. 3. Z poziou oawianego forularza wprowadza się również cechy losowe, opisujące średnicę równoważną eleentów złoża, natoiast cechy losowe pola powierzchni kaienia zaszyte zostały bezpośrednio w kodzie aplikacji. Wprowadzenie inforacji, charakteryzujących nierównoierność przepływu powietrza przez złoże w trakcie fazy ładowania usi być poprzedzone podziałe regeneratora na sekcje, co jest również dokonywane w forularzu startowy. Natoiast dane opisujące bezpośrednio przepływ powietrza są wprowadzane w kolejny forularzu dostępny z panelu nawigacyjnego. Dopuszczono dwa warianty określenia niejednorodności przepływu płynu: poprzez wybór określanej funkcji z listy lub wprowadzenie odpowiedniej zależności, wypełnienie dwuiarowej tablicy wartościai asowego natężenia przepływu, gdzie liczba eleentów tablicy jest konsekwencją podziału regeneratora. Rys. 3. Forularz paraetrów wejściowych procesu syulacji Fig. 3. The for of the input data of the siulation process Rys. 4. Podforularz syulatora do określenia struieni cząstkowych powietrza Fig. 4. The subfor of the siulator for deterining the partial air flows 54

5 Wyniki będące efekte syulacji są prezentowane również w forie zestawień tabelarycznych i wykresów generowanych na pozioe arkusza kalkulacyjnego, do których uzyskujey dostęp poprzez dokonanie wyboru wyniki w panelu nawigacyjny. Cele kontynuowania analiz statystycznych z wykorzystanie innych specjalistycznych aplikacji istnieje ożliwość zapisu wyników syulacji koputerowych zarówno do pliku XML, jak i do struktur relacyjnych w forie pliku.db. Powyższa funkcjonalność dostępna jest na pozioie enu. Rys. 5. Wizualizacja przepływu ciepła w kaienny akuulatorze Fig. 5. The visualization of the heat flow in a stone regenerator Forularz nie tylko ożliwa wprowadzenie niezbędnych inforacji, ale równocześnie pozwala na wizualizację dokonanych wyborów lub wprowadzonych wartości asowego natężenia przepływu, co ilustruje rys. 4. Stwarza to ożliwość oceny poprawności dokonanego wyboru, jak również pozwala eliinować błędy grube powstałe przy wprowadzaniu danych. Kolejny w strukturze hierarchicznej forularz pozwala na przeprowadzenie obliczeń z jednoczesną wizualizacją wyników. Ten proces poprzedzony jest wyborai związanyi z określenie liczby powtórzeń oraz kroków czasowych. Inforacje te są szczególnie istotne z perspektywy syulacji prowadzonych z wykorzystanie odelu probabilistycznego. Pod ty kąte rozbudowano również ożliwości zapisu danych, które będą przediote dalszych analiz statystycznych. Definiujey tutaj wielkość fizyczną, która będzie podlegała wsponianej analizie, sekcje, z której dane będą zbierane, oraz częstotliwości ich zapisu. Rozpoczęcie obliczeń jest równoznaczne z uruchoienie procesu wizualizacji przepływu ciepła w kaienny regeneratorze (rys. 5) z perspektywy wybranej wielkości fizycznej. Przerwanie wizualizacji nie pociąga za sobą zakończenia obliczeń. 5. Podsuowanie 1. Wytworzony syste inforatyczny, w który odwzorowano nowy odel probabilistyczny wyiany ciepła zachodzącej w fazie ładowania kaiennego akuulatora, uwzględniający dodatkowo nierównoierność przepływu powietrza, stanowi bardzo wygodne narzędzie badawcze. Szczególnie przydatny echanize, wspierający wprowadzanie danych i analizę wyników syulacji jest ich wizualizacja. 2. Użyte technologie inforatyczne pozwalają na szybką rozbudowę aplikacji, co niewątpliwie będzie iało iejsce i jej integrację z kolejnyi, powstającyi systeai inforatycznyi opisującyi przepływ ciepła w kolejnych fazach pracy kaiennego akuulatora. 6. Literatura [1] Jaszkiewicz A.: Inżynieria oprograowania. Wydawnictwo Helion, Gliwice, ISBN: [2] Perry Stephen C.: CORE C#i.NET. Wydawnictwo Helion, Gliwice, ISBN: [3] Wrycza S., Marcinkowski B., Wyrzykowski K.: Język UML 2.0 w odelowaniu systeów inforatycznych. Wydawnictwo Helion, Gliwice, ISBN: [4] Maćkowiak S.: Modelowanie procesu wyiany ciepła w regeneratorach kaiennych sektora rolniczego z uwzględnienie losowości złoża. Praca doktorska, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu,