Структура энергодинамической системы физических величин

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], 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 (TM) 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] (OS) и энергодинамика[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].

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

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.

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.

---

Дата добавления: 2021-04-24; просмотров: 84; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!