Вопросы синтеза энергии систем

Тип работы:
Научная работа
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Вопросы синтеза энергии систем

В.П. Поляков

Оглавление

  • Введение
    • 1. Общие положения
    • 2. Структура энергодинамической системы физических величин
    • 3. Анализ элементов синтеза энергии
    • 4. Результаты экспериментальных исследований и выводы учета состояний при расчете систем

Введение

Проблемы синтеза энергии в работе рассматриваются по материалам экспериментальных исследований систем в потоке и натурным испытаниям реальных объектов систем.

Синтез энергии — соединение различных функций состояния элементов и частей в единую систему, определяющую направление эволюции системы в течение срока существования.

В качестве примера рассматриваются данные экспериментальных исследований взаимодействия тела постоянной и изменяемой формы (без ограничений перемещений) с потоком воздуха. Термодинамические системы по характеру взаимодействия с окружающей средой разделяются на типы: изолированные (IS), закрытые (CS) и открытые (OS). Состояние систем описывается переменными состояния, измеряемыми для каждого значения характеристик потока.

Экспериментальные зависимости для каждого типа систем связаны между собой:

— различной степенью детализации процессов взаимодействия;

— использованием для расчетов и анализов процессов различных теоретических предпосылок описания систем;

— необходимостью разделения сложных коллективных процессов и кооперативных процессов взаимодействий на простые независимые процессы.

Разделение на простые процессы вызвано необходимостью уточнения степени взаимного влияния процессов, описывающих данные экспериментальных исследований с достаточной для системы точностью.

В реальных системах (объектах и окружающей среды) не представляется возможным разделить процессы на независимые и зависимые и трактовать результат суммарного действия с использованием принципа суперпозиции.

Экспериментальными исследованиями оболочки (объект) в потоке (окружающая среда) воздуха АДТ рассматриваются:

— объект в качестве тела, имеющего постоянные величины: массу, форму (простую), а также соответствующий объем, отделенный от других тел и потоков внешней границей раздела;

— система из материальных точек, на которую действуют внешние и внутренние силы, подчиняющиеся третьему закону Ньютона;

— совокупность частиц (конфигурация) и систем управления.

Окружающая среда как комплекс факторов, оказывающих непосредственное влияние на объект, при проведении экспериментальных исследований рассматривается:

— как однородная структура без учета влияния изменений, происходящих в объекте.

Однородная структура среды характеризуется постоянными значениями скорости потока, коэффициента турбулентности и отсутствием влияния объекта на среду, описывается простыми процессами;

— как неоднородная диссипативная структуры с процессами самоорганизации.

При рассмотрении диссипативных структур учитываются механические воздействия потока на объект и необратимые процессы (трение, диффузия, температурные воздействия и работы, связанные с изменением объема тела). Необходимым условием самоорганизации является наличие активной среды, состоящей из элементов, нелинейно взаимодействующих друг с другом. Это состояние описывается коллективными и кооперативными процессами.

В соответствие с видом рассмотрения данные экспериментальных исследований можно отнести:

— к материальному телу (обобщенные аэродинамические весовые характеристики и дискретное распределение давлений по поверхности тела) в состоянии равновесия;

— к элементу малого объема (поверхности) в локальном равновесном состоянии (распределение импульсов по поверхности);

— к конфигурации связанных частиц с конечными перемещениями, распределением координат и импульсов частиц и кооперативным действием процессов (обратимых и необратимых).

В работе «Анализ состояния систем и основные причины отказов, аварий и катастроф» 1. В. П. Поляков. Анализ состояния систем и основные причины отказов, аварий и катастроф. ., 02. 12. 2012[1], было доказано:

Классическая механика (CM') и теплотехника (HE) предполагают одновременное удовлетворение 22 гипотезам и 13 принципам, которые ограниченно описывают состояния модели изолированной системы для равновесных процессов.

Методы (CM' и HE) позволяют рассматривать системы (IS) в состоянии равновесия без учета изменения окружающей среды. Эти методы наиболее часто используются для оценки напряженно — деформированного состояния зданий и сооружений.

Механика сплошной среды (CM'') и линейная термомеханика™ предполагают одновременное удовлетворение 9 гипотезам и 7 принципам.

Классические механика и теплотехника (CM'' и TM) рассматривают консервативные системы в замкнутом состоянии (закрытые системы) методами линейной термодинамики для равновесных и квазистационарных процессов (используются для исследования состояний простых систем в состоянии равновесия).

Открытые системы 2. Ю. Л. Климонтович. Статистическая теория открытых систем. Т1, Т3.М., Янус-К., 1995,2001[2] (OS) и энергодинамика 3. В. А. Эткин. Энергодинамика (синтез теорий переноса и преобразования энергии). СПБ. Наука, 2008. 3] (ED) предполагают удовлетворение 2 гипотезам и 9 взаимосвязанным принципам.

Полностью удовлетворить одновременно всем гипотезам в любом из методов и всем сочетаниям гипотез и принципов (начал) не представляется возможным.

В случае неудовлетворения какой-либо гипотезе имеет место отказ (компенсируемый или некомпенсируемый), в случае неудовлетворения нескольким гипотезам имеет место авария объекта в системе.

В случае полного удовлетворения всем гипотезам, получаем пустое множество.

При неполном удовлетворении получаем системные ошибки и неудовлетворительные решения.

Для эволюции системы число принципов должно быть больше числа гипотез.

Реальные здания и сооружения и объекты техники являются частью OS, для которых гипотезы и некоторые принципы классической физики не выполняются.

Таким образом, определить напряженно-деформированное состояние сложной системы в определенный момент времени и в течение срока службы можно только методами теории открытых систем.

В качестве примера рассматривается система по данным экспериментальных исследований оболочки в потоке воздуха АДТ-101 ЦАГИ 4. 8. V. Polyakov. On calculation of the stress-strain state of the pneumatic spherical shell in air flow. Scientific Israel -Technological Advanced v. 13, no.4 (letters), 2011. 4].

При рассмотрении данных экспериментальных исследований ограничимся рассмотрением функций состояния системы (виды энергии).

1. Общие положения

Полная механическая энергия системы определяется соотношением:

энергодинамический синтез энергия

В системе действуют силы:

— внутренние консервативные силы (не зависят от форм перехода из начального в конечное положение);

— внутренние неконсервативные силы;

— внешние силы.

Изменение кинетической энергии определяется в виде:

— работа внутренних консервативных сил (не зависит от форм перехода начального в конечное положение);

— работа внутренних неконсервативных сил (зависит от форм перехода начального в конечное положение и меняет знак при переходе из конечного в начальное положение). Работа по замкнутому контуру равное нулю

;

— работа внешних сил.

Изменение потенциальной энергии:

Изменение полной механической энергии:

Диссипативные силы, работа которых на любом участке отрицательна (например, работа сил трения), соответствуют убыванию полной механической энергии и переходу в немеханические формы энергии (например, в теплоту).

Каждому процессу соответствует закономерно происходящая смена процессов во времени (последовательная смена состояний объекта во времени).

Простой процесс, в котором объект подвергается последовательному ряду связанных между собой состояний.

Консервативные системы рассматривают совокупность простых процессов. В большинстве случаев, несмотря на сложность состава консервативных систем, они относятся к простым системам.

Открытые системы рассматривают коллективные и кооперативные процессы.

Коллективные процессы (операции коллективного взаимодействия частиц) — это процессы возбуждения системы, в которые вовлечено одновременно большое число частиц системы, двигающихся согласовано. При этом обнаруживаются новые свойства системы, которые не были характерными для ее составных компонентов. То есть систему нельзя описать как совокупность свойств составляющих ее частиц. В частности, коллективными процессами вызывается образование квазичастиц (солитона или частицеподобной волны) в механизмах сверхмалых воздействий. Коллективные процессы связаны с изучением явлений перехода состояний частиц.

Кооперативные (резонансные) процессы и взаимодействия относятся к инвариантному виду движения в неравновесных процессах: оно не возникает и не уничтожается, а только затормаживается, например физическими и химическими связями до точки бифуркации. Кооперативное взаимодействие частей системы приводит обязательно к согласованному действию, при определенных условиях, всех частей системы одновременно. В современных методах расчета согласование обычно понимается как одинаковость симметрии, экспериментами доказано, что согласование является больше динамическим, обусловленным типом движения отдельных частиц системы. Кооперативность — общая черта процессов самоорганизации.

2. Структура энергодинамической системы физических величин

Рассматривается структурная схема ЭСВП, и приводятся данные результатов экспериментальных исследований видов энергии для частиц, расположенных на поверхности главного меридиана объекта (оболочки)

На Рис. 2.1 связи между полной энергией и видами (составными, аддитивными частями) указаны сплошными линиями.

Связи штриховые относятся к дополнениям классификации Гиббса.

Связи штрихпунктирные относятся к дополнениям классификации Гельмгольца.

Связи точечные относятся к дополнениям Гиббса и Гельмгольца.

Все виды связей применимы только для равновесных процессов. В случае неравновесных процессов связи по схеме ЭСВП рассматриваются для частичного (в микроскопическом масштабе) или локального (в макроскопическом масштабе) равновесного состояния.

В неравновесных состояниях связи обратимые с перераспределением между видами и формами энергии между видами одного уровня.

Иерархия уровней рассмотрения:

Уровень 1. Полная энергия системы как целого (SIGMA, s) — сумма внешней и внутренней энергий системы. Полная энергия системы рассматривается (по В. А. Эткину, [3]) как сумма энергии (превратимой части) и анергии (непревратимой части). Часть энергии, равная максимальной полезной работе, которую может совершить ТД система, при переходе из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой относится к эксергии.

Уровень 2. Составные части энергии системы как целого.

Внешняя энергия состоит из кинетической и потенциальной энергий системы как целого (эти виды энергии в сумме составляют механическую энергию системы в целом).

Внутренняя энергия системы — энергия системы, зависящая от внутреннего состояния и не включающая в себя виды энергии системы как целого.

Энтальпия системы (теплосодержание) определяется суммой внутренней энергии системы и работы взаимодействия со средой.

Уровень 3. Структура системы по видам энергии.

Механическая энергия (сумма кинетической и потенциальной) энергии системы. Внутренняя энергия системы.

Работа сил взаимодействия со средой.

Свободная энтальпия Гиббса, (- связанная энергия (произведение температуры и энтропии).

Уровень 4. Виды энергии системы как целого.

Механическая энергия упорядоченных движений (кинетическая и потенциальная). Свободная энергия (работоспособная часть внутренней энергии) системы. Связанная энергия системы (часть внутренней энергии, связанная с хаотическим движением составляющих систему частиц или обесцененная часть энергии)

Уровень 5. Формы энергии системы (механическая, электрическая (магнитная, электромагнитная), тепловая, химическая и т. д.).

Уровень 6. Виды энергии отдельных форм движения (кинетическая, потенциальная, энергия диссипации, энергия превращений). На уровне предусматривается рассмотрение потерь и притоков энергии и перераспределение энергии между формами движения.

При рассмотрении экспериментальных значений параметров термодинамического состояния частиц (точек дренажа) на поверхности тела, в частности на поверхности главного меридиана исходим из установления частичного равновесия (равновесия по параметру внешней скорости потока АДТ 101). Процесс установления равновесия термодинамического состояния для частиц на поверхности относится к релаксационным процессам. Считается, что не все физические параметры системы (распределение частиц по координатам и импульсам, температура, давление и концентрация в малых объемах) стремятся к равновесию с одинаковой скоростью. Частичное равновесие устанавливается для любого значения скорости потока АДТ, для которого определена функция распределения координат и импульсов.

Обозначения и зависимости, принятые при анализе данных экспериментальных исследований приводятся в таблице 2.1.

Таблица 2. 1

Наименование параметра

Обозначение состояние поверхности тела

Твердая (hard)

Мягкая (soft)

1

Номер значения скорости или начального значения управляющего параметра

2

скорость потока перед телом

-

3

Начальное значение управляющего параметра

-

4

полная механическая энергия главного меридиана

5

внутренняя энергия главного меридиана

6

неупорядоченная внутренняя энергия главного меридиана

7

упорядоченная внутренняя энергия главного меридиана

8

полная энергия главного меридиана

9

полная упорядоченная энергия главного меридиана

10

отношение полной механической энергии к полной упорядоченной энергии

11

отношение полной механической энергии к полной энергии

12

отношение полной упорядоченной энергии к полной энергии

В настоящее время для оценки напряженно-деформированного состояния объекта системы используется изменение полной механической энергии (работа внешних сил).

Таблица 2.2 Таблица номеров значений координат и скоростей частиц тела в потоке.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

2,346

2,216

1,937

1,660

1,522

1,384

1,107

0,83

0,554

0,277

0

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

-0,277

-0,554

-0,830

-1,107

-1,384

-1,522

-1,660

-1937

-2,216

-2,346

Таблица 2.3 Таблица номеров значения и изменения скоростей потока перед телом

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

Таблица 2.4 Таблица номеров значения и изменения уровня начального значения управляющего параметра

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

1

1,5

2

2,5

3

4

5

10

15

20

25

30

35

40

0,1

0,1

0,1

0,1

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

1

1

5

5

5

5

5

5

5

45

44

43

42

41

40

38

34

30

25

19

15

11

8

6

4

3,5

1,2

0,7

Для простоты представления значений экспериментальных зависимостей будем считать массу частицы равной единице.

При выполнении анализа процесса обтекания оболочки потоком АДТ в функции рассматривались виды энергии:

— полная механическая энергия, характеризующая вклад нагрузок и изменение формы оболочки в потоке воздуха.

Механическая энергия состоит из следующих видов (энергия движений, обычно упорядоченных):

— кинетической энергии в составе кинетической энергии состояния и изменения кинетической энергии, вызванной влиянием изменения формы оболочки и наличия особенностей, например, складчатых зон, на распределение скоростей частиц;

— потенциальная энергия в составе потенциальной энергии положения и потенциальной энергии деформации.

— диссипативная энергия, обусловленная неупорядоченными и необратимыми процессами (неупорядоченных и необратимых движений) и образованием неравновесных диссипативных структур;

— внутренняя энергия (энергия системы, зависящая от внутреннего состояния частиц) в составе свободная и связанная энергия;

— химическая энергия (энергия химических превращений), определяется способностью частиц тела вступать в химические реакции между собой и со средами.

При изменении состояний виды энергий с учетом обратимых и необратимых процессов, могут переходить друг в друга. Классическая механика рассматривает энергии обратимых во времени процессов. Равновесная термодинамика рассматривает циклические термодинамические процессы обратимые во времени. Неравновесные процессы и состояния систем рассматриваются открытыми системами.

Составляющие полной энергии определены в предположении частичного равновесия (для термодинамических переменных элементарного объема). Экспериментально для каждого состояния и частицы определялось значение времени, позволяющее принимать их состояние стационарным (близким к состоянию равновесия).

Энергия равновесного состояния системы (элемента, частицы) характеризует состояния, в которых все процессы условно прекращены. Энергия стационарного состояния системы (элемента) характеризует состояния со стационарными (близкими к равновесию, медленными) процессами. Энергия нестационарного состояния системы (частицы) характеризует неравновесные необратимые процессы (реальные процессы). В системе, находящейся в неравновесном состоянии (НС) происходят необратимые процессы переноса (теплопроводность, диффузия, трение и т. д.). Эти процессы стремятся вернуть систему в состояние равновесия (термодинамического (ТД) или статистического), если нет препятствующих факторов (отвода или подвода энергии и вещества). В противном случае система стремится перейти к стационарному состоянию (производство энтропии в системе компенсируется ее отводом из системы).

Внутренняя энергия определяется соотношением:

где: — местная скорость потока в точке дренажа;

— обобщенная координата точки.

Внутренняя энергия частицы определяется соотношением:

где: — размерный множитель случайной величины местной скорости;

— плотность вероятности распределения случайной величины (местной скорости).

На Рис. 2. 2- 2. 38 приводятся распределение экспериментальных значений видов энергии частиц главного меридиана, определенных для состояний частичного равновесия.

Распределение размерных множителей для функций состояния элемента (главного меридиана) приводится на Рис. 2.2.

Точки относятся к состоянию твердого мало деформированного тела.

Распределение Рис. 2.3. вызвано кооперативными процессами

Распределения Рис. 2.3 — 2.6 вызваны коллективными процессами.

Распределение Рис. 2.7 вызвано простыми процессами.

Распределение Рис. 2.8. вызвано кооперативными процессами.

Распределения Рис. 2.9 — 2. 11 вызваны коллективными процессами.

Распределение Рис. 2. 12 вызвано простыми процессами.

Упорядоченные значения внутренней энергии частиц определяются соотношением:.

Распределение Рис. 2. 13 вызвано кооперативными процессами.

Распределения Рис. 2. 14 — 2. 16 вызваны коллективными процессами.

Распределение Рис. 2. 17 вызвано простыми процессами.

Полная механическая энергия (связана с движением объекта или его положением).

Полная механической энергии системы характеризует работу внешних сил и определяется:

— для консервативных систем:

;

— для неконсервативных систем (с учетом внутренней энергии):

где: — полная энергия;

— энергия консервативных сил;

— энергия неконсервативных сил;

— кинетическая энергия;

— потенциальная энергия;

— часть внутренней энергии, изменение которой характеризует работу против внешних сил.

Распределение Рис. 2. 18 вызвано кооперативными процессами.

Распределения Рис. 2. 19 — 2. 21 вызваны коллективными процессами.

Распределение Рис. 2. 22 вызвано простыми процессами.

Точки относятся к состоянию твердого мало деформированного тела.

Работоспособность системы (эксэргия) определяется соотношением:

Распределение Рис. 2. 24 вызвано кооперативными процессами.

Распределения Рис. 2. 25 — 2. 27 вызваны коллективными процессами.

Распределение Рис. 2. 28 вызвано простыми процессами.

Неупорядоченная часть внутренней энергии (анергия) для частиц, расположенных на главном меридиане определяется соотношением:.

Распределение Рис. 2. 29 вызвано кооперативными процессами.

Распределения Рис. 2. 30 — 2. 32 вызвано коллективными процессами.

Распределение Рис. 2. 33 вызвано простыми процессами.

Значения полной энергии частиц системы определяются для состояния частичного равновесия соотношением:

Распределение Рис. 2. 34 вызвано кооперативными процессами.

Значения полной энергии частиц для НУП соответствуют началу образования складок в точках дренажа частиц.

Распределения Рис. 2. 35 -2. 37 вызваны коллективными процессами.

Распределение вызвано простыми процессами.

3. Анализ элементов синтеза энергии

Флуктуации значений частиц приводят к необходимости рассмотрения элемента объекта с использований сглаженных распределений в состоянии локального равновесия.

Функции состояния главного меридиана определяются в состоянии локального равновесия (равновесия в малых объемах среды, содержащих большое число частиц).

Предполагается, что термодинамические параметры элемента системы и массовая скорость (средняя скорость переноса массы) мало изменяется за время и на расстоянии (рассматривается гидродинамический этап релаксации).

По экспериментальным значениям поведения элементов тела (главного меридиана) рассматриваются:

— конфигурация элемента в потоке (без ограничений изменения формы элемента);

— элемент тонкостенной сферической оболочки постоянной геометрической формы.

Тонкостенная сферическая оболочка для мало деформируемого состояния (hard) относится к консервативным системам в состоянии термодинамического равновесия.

Функции состояния главного меридиана для начальных значений управляющего параметра (конфигурация элемента) и элемента тонкостенной оболочки в потоке воздуха определяются соотношениями, приведенными в таблице 2.1.

Функции состояния для начального управляющего параметра определяются в виде:

где: — полная механическая, кинетическая и потенциальная энергии;

— внутренняя энергия;

— свободная энергия;

— энтропия;

— гидродинамическая скорость;

— функция распределения координат и импульсов;

— постоянная Больцмана.

Функции состояний и виды энергии (по экспериментальным значениям) с целью исключения влияния массы определены для.

Оценка состояния системы соответствует значениям конструктивных коэффициентов:

— конструктивный коэффициент, принимаемый в соответствии с требованиями классической физики и термодинамики:

;

— конструктивный коэффициент, связанный упорядоченной энергией системы в целом, определяемый требованиями энергодинамики:

;

— отношение конструктивных коэффициентов (определяет долю полной механической энергии в упорядоченной энергии системы):

где: — полная механическая энергия системы, изменение которой принимается в настоящее время для расчета действия внешних сил.

В соответствии с принятыми в настоящее время методиками расчета напряженно-деформированного состояния объектов внешние силы вызывают внутренние силы им противодействующие.

При умножении максимального значения внутренних сил на произведение коэффициентов безопасности получаем расчетное значение сил в сечении объекта.

— полная энергия системы;

— упорядоченная энергия системы в целом;

Поток воздуха АДТ, действуя на участок поверхности тела (оболочки), производит работу, измеряемую скалярным произведением вектора результирующей силы на перемещение участка объекта приложения:

где: — неполный дифференциал работы внешних сил.

Элементарные силы вызывают перемещения частиц сорта, т. е. изменяют положение радиус-вектора совокупности объектов приложения элементарных сил. Такую работу в технической термодинамике принято считать полезной, внешней или технической. В общем случае внешнюю работу совершают не только технические устройства, но и другие устройства (например, химические) в составе системы. Поэтому работу под действием внешних сил считают упорядоченной работой. Под действием необратимых процессов (трение, диффузия, изменения структуры и порядка) происходят векторные преобразования, которые также относят к упорядоченной работе. Работы внешних сил и часть векторная часть работ внутренних сил составляют упорядоченную энергию. Иногда считают, что эта часть энергии определяет работоспособность системы.

Для главного меридиана тонкостенной оболочки с бесконечно малыми значениями перемещений (постоянной формы):

— распределения форм энергии представлены на Рис. 3. 1;

— распределения конструктивных коэффициентов (аналог коэффициента добротности) представлены на Рис. 3.2.

Из диаграмм Рис. 3.1 следует, что полная механическая энергия (красная линия на Рис. 3. 1) не определяет функцию состояния системы. В нормативных источниках (например, в 6. ФГУП «НИЦ „Строительство“». СТО 36 554 501−015−2008. Нагрузки и воздействия.М. 2008 [6]), коэффициент надежности по ветровой нагрузке рекомендуется принимать равным дискретному значению,. Дискретное значение не учитывает флуктуации потока.

Отношение или не соответствует рекомендованному нормами коэффициенту надежности нагрузки, поэтому при расчете прочности и деформативности по нормативным источникам имеется вероятность разрушения.

Диаграммы критериальных конструктивных отношений для малодеформируемой поверхности тела в потоке — однородные.

Тонкостенная сферическая оболочка для состояния с конечными значениями перемещений (soft), сопоставимых с геометрическими параметрами тела (конфигурация точек), относится к неконсервативным системам (открытым системам) в квазистационарном состоянии. В случае значительных изменений формы элемента его состояние определяется коллективными процессами конфигурации. Распределения форм энергии представлены на Рис. 3.3. Распределения конструктивных коэффициентов (аналог коэффициента добротности) представлены на Рис. 3.4.

Характер изменения конструктивных коэффициентов в случае рассмотрения конфигурации частиц Рис. 3.4 существенно отличается от изменений конструктивных коэффициентов Рис. 3.2 определенных для случая материальных точек и материального тела.

В процессе изменения формы система приобретает новые свойства, не присущие входящим в нее объектам (эмерджентность). Система откликается на внешнее воздействие как целое. Элементы системы действуют согласовано, обнаруживая свойства, не присущие отдельной частицы в составе объекта. В результате возникает когерентность (согласованное поведение частиц и элементов, приводящее к самоорганизации). Когерентность связана с нелинейным поведением системы. Когерентные эффекты возможны вдали от равновесия, и когерентность можно считать механизмом сборки, объединения частиц и подсистем объекта в единую систему и образования нового порядка (когерентность коллективного состояния) и структуры.

Диаграммы критериальных конструктивных отношений для деформируемой поверхности тела в потоке — неоднородные. Отличие диаграмм заключается в полноте учета форм энергии.

В настоящее время принято считать, что работоспособность системы определяется полной механической энергией элемента системы (главного меридиана).

Результаты экспериментальных исследований показывают, что для оценки работоспособности систем необходимо рассматривать полную энергию элемента системы. Для обеспечения надежности системы в течение срока службы необходимо для расчета прочности и деформативности частиц, элементов и системы в целом рассматривать полную энергию системы в составе упорядоченной энергии, неупорядоченной энергии и внутренней энергии системы.

Подход к анализу данных экспериментальных исследований, использованный для оценки поведения системы в потоке, должен применяться для исследований:

— любых видах воздействий (снеговых, ветровых, тепловых, жидкостных, электромагнитных и т. п.) с учетом порядка механизма воздействия и необратимости;

— систем с учетом необратимости во времени для любых состояний;

— процессов подвода и вывода видов энергий с разделением энергий на упорядоченные и неупорядоченные;

— внутренних механизмов, которые заставляют «работать» на макроуровне все виды микроэффектов.

Внешние факторы (и управляющие параметры) только создают критическую ситуацию. Самоорганизуют же систему параметры порядка и флуктуации.

4. Результаты экспериментальных исследований и выводы учета состояний при расчете систем

Методы исследований, использованные при исследовании взаимодействия системы с потоком воздуха, касаются любых видов нагрузок и воздействий и любых видов систем (в составе: здания и сооружения, транспортные системы и устройства, средства доставки и оборудование) независимо от страны и места дислокации и создания.

Классическая физика и термодинамика ограничиваются рассмотрением простых процессов в состоянии равновесия. Любые изменения формы, симметрии и структуры системы до точки бифуркации описываются коллективными процессами, а волновые процессы с резонансными изменениями формы описываются кооперативными процессами в неравновесных и необратимых состояниях.

В нормах приводится информация о видах нагрузок и воздействий для простых (равновесных, независимых) процессов. В природе такие процессы встречаются крайне редко.

В реальных системах (в том числе, при экспериментальных исследованиях) информация о процессах содержит сведения об эффектах наложенных и совмещенных. Эти эффекты необходимо учитывать даже при использовании модельного представления в виде простых процессов.

Информация о коэффициентах сочетания нагрузок и воздействий, приведенная в нормативных источниках, не отражает физическую природу и порядок действия нагрузок.

Величины нагрузок и воздействий (в настоящее время) назначаются в виде предельных дискретных значений на основании статистических выборок прошедших периодов. Величины нагрузок (нормативные значения) увеличиваются на произведения коэффициентов надежности и безопасности, с применением дискретных значений геометрических коэффициентов и корреляции. Особенности объектов задаются дискретными предельными значениями коэффициентов (например, шероховатости).

При выполнении расчетов объектов не учитываются особенности дислокации объекта (влияние экрана, граничных и начальных условий, изменения трения и диффузионных потоков). Циклические и волновые процессы считаются стационарными, однородными, гармоническими и задаются предельными значениями амплитуд. Нагрузки и воздействия ограничиваются рассмотрением материальных тел постоянной формы и структуры.

При проектировании и эксплуатации объектов не учитываются: случайный характер, функции распределения координат и импульсов частиц, вероятность образования на поверхности объекта особенностей и одиночных волн, влияние объекта на изменения окружающей среды и возможности управления величиной и характером нагрузок системы управляющими параметрами.

Исследованиями доказана необходимость перехода к функциям распределения координат и импульсов для частиц объекта с описанием возможных видов и значений флуктуаций.

Существующие принципы выбора нагрузок и воздействий приводят к рассмотрению изолированных систем (действие среды не принимается во внимание и заменяется конкретными дискретными величинами и их сочетаниями) или консервативных систем (обмен со средой энергией).

Изолированные и консервативные системы рассматриваются в состоянии равновесия общего или локального для макроскопических масштабов с использованием постулатов классической физики и термодинамики равновесного состояния. При определении состояния систем выполняются общие экстремальные принципы, с помощью которых имеется возможность предсказывать состояния, к которым может перейти система при изменении степени свободы (независимых процессов). Система считается простой, однородной, постоянной формы, структуры и постоянного порядка. Рассматриваются процессы обратимые по времени. В некоторых случаях рассмотрение состояния системы может быть распространено на квазистационарные состояния (теории упругости, ползучести, течений). Переход к квазистационарным процессам связан с принятием дополнительных гипотез при рассмотрении функций состояния. Совместное применение этих теорий к состояниям близким к равновесию приводит к применению постулатов и гипотез теории приспособляемости в рамках консервативных (изолированных и закрытых) систем. В результате существующие подходы определения внешних сил и напряженно-деформированного состояния объекта (но, не системы в целом) соответствуют простым процессам, которые описывают только модельные состояния систем и в Природе в чистом виде не реализуются.

Как следует из диаграмм Рис. 3.2 (коэффициенты) и Рис. 3.4. (коэффициенты) принятые соотношения не соответствуют полной работоспособности системы (в том числе, консервативных систем, Рис. 3. 2).

Работоспособность систем в соответствии с требованиями энергодинамики, определяется значением эксергии. В эксергию входит, как составляющая, упорядоченная часть внутренней энергии.

Внутренняя энергия — способность частиц тела выполнять работу и обмениваться теплом.

Внутренняя энергия определяется суммой всех видов энергий движения и взаимодействия частиц, составляющих рассматриваемое тело, вычисленная в системе координат, в которой центр масс тела неподвижен. Внутренняя энергия не содержит кинетическую энергию движения тела как целого и потенциальную энергию во внешнем поле сил. Внутренняя энергия подразделяется на упорядоченную часть (имеющую векторную природу) и неупорядоченную часть (имеющую скалярную природу).

Упорядоченная энергия (эксергия) системы как целого состоит из полной механической энергии и упорядоченной части внутренней энергии.

Неупорядоченная энергия (анергия) системы как целого состоит из неупорядоченной части внутренней системы.

Отказ от разделения энергии на упорядоченную и неупорядоченную части, и отказ учета необратимости процессов во времени и учета неравновесных состояний приводит к авариям и нерациональному использованию материалов и энергетических ресурсов.

Первая причина аварий и отказов состоит в том, что существующие методы расчета зданий и сооружений, транспортных систем и машин (уравнения равновесия и уравнения неразрывности) основываются на рассмотрении только полной механической энергии системы.

Как показывают экспериментальные исследования, этой части полной энергии системы как целого недостаточно для определения работоспособности системы.

Второй причиной аварий и отказов являются рассмотрение консервативных систем, не учитывающих в состояниях обмен веществом и информацией.

Третьей причиной аварий и отказов являются:

— использование в расчетах принципов обратимости процессов во времени;

— расчет систем в состоянии термодинамического равновесия.

Четвертой причиной неполных отказов является отсутствие учета влияния информационной энтропии на управление работоспособностью системы.

Таким образом, причины аварий и отказов заложены в любые объекты, рассчитываемые как консервативные системы в состоянии равновесия с использованием постулатов классической физики и термодинамики.

Ошибки, связанные с использованием всевозможных конструкционных (замена материалов и видов конструкций) и технологических (отступление от принятых технологических процессов и ошибки в размерах) вписываются в структуру флуктуаций, которая консервативными системами не рассматривается.

Если существует необходимость создания объектов с обеспечением надежности в течение всего срока службы и управляемостью эволюционного развития систем, то необходимо:

— вместо использования дискретных нагрузок и воздействий и множества любых коэффициентов перейти к рассмотрению динамических функций распределения координат и импульсов с флуктуациями;

— осуществить переход к рассмотрению открытых систем (обмен энергией, веществом и информацией, включая рассмотрение коллективных и кооперативных процессов) и обеспечением действия управляющих параметров;

— использовать подходы к определению состояния систем методами энергодинамики в состояниях стационарных и далеких от состояния равновесия, обусловленных диссипативными структурами с учетом необратимости по времени процессов;

— при рассмотрении эволюции систем использовать процессы самоорганизации (синергетический подход).

Существующие системы (например, в виде зданий и сооружений), рассчитанные как консервативные системы по постулатам классической физики и термодинамики, по сути:

— являются реальными открытыми системами;

— выполняют свои функции в бесконечной смене частичных равновесных состояний в нерегулируемых промежутках времени;

— в процессе эволюции в широком диапазоне изменяют свойства и структуру систем, материалов объекта и информационную энтропию;

— используют внешние виды энергии (тепловую, электрическую и т. п.) для обеспечения функционального назначения.

Влияние внешних видов энергий на работоспособность системы в целом для консервативных систем не оценивается.

Физические, химические и обменные процессы в системе никогда не прекращаются и находятся в состояниях, далеких от равновесия. Равновесие любого вида это модельное состояние для применения формульно-расчетных методов.

В существующих системах неравновесные состояния развиваются непредсказуемо: их состояние не всегда однозначно определяется макроскопическими уравнениями и при одном и том же наборе условий неравновесная система может переходить к разным состояниям. Поэтому аварии и катастрофы на существующих системах всегда являются неожиданными, необъяснимыми и их относят к действию человеческого фактора и/или к природным аномалиям. Причинами перехода к аварийной ситуации являются флуктуации, малые неоднородности, дефекты и другие случайные факторы, а также новые упорядоченные состояния, которые обладают иной пространственно временной организацией.

Без этих переходов к рассмотрению открытых систем в неравновесных состояниях предстоит постоянно встречаться с проблемами аварий, отказов и катастроф, аналогичные тем, которые были на любых объектах в разных странах в период 1985—2013 гг.

Проблемы аварий и отказов будут постоянно иметь место на объектах и системах, рассчитанных с использованием постулатов классической физики и термодинамики в виде консервативных систем (т.е. всех системах проектируемых, изготавливаемых и подлежащих изготовлению) независимо от назначения, вида систем, места дислокации и страны разработки и использования. Предстоит выбор между постоянной компенсацией утрат, возникших в результате аварий и катастроф, или выполнению перехода к расчету и исследованию систем методами синергетики.

Сокращения

АДТ — аэродинамическая труба;

ТД — термодинамика;

ED — энергодинамика;

IS, CS, OS — виды систем (изолированная, закрытая, открытая);

СМ — механика сплошной среды;

TM — термомеханика.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой