авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |
-- [ Страница 1 ] --

ББК 74.58г

Н 42

Неделя наук

и СПбГПУ. Лучшие доклады: материалы научно-практической

конференции с международным участием. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. –

292 с.

В сборнике публикуются материалы докладов студентов и аспирантов,

отобранные по результатам проведения секционных заседаний научно-практической

конференции с международным участием «Неделя науки Санкт-Петербургского

государственного политехнического университета». Доклады отражают современный

уровень научно-исследовательской работы студентов и аспирантов политехнического университета и других вузов и организаций – участников конференции в области фундаментальных, технических, экономических, социальных и гуманитарных наук.

Представляет интерес для специалистов в различных областях знаний, учащихся и работников системы высшего образования и Российской Академии наук.

Ответственные редакторы редакционной коллегии Совета по НИРС СПбГПУ:

В.Э. Гасумянц, Д.Д. Каров Издается по решению редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.

© Санкт-Петербургский государственный ISBN 978-5-7422-3812-6 политехнический университет, Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ ЭНЕРГЕТИКА, РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭКОЛОГИЯ УДК 621.311.245621. М.Ж. Асембаева (5 курс, каф. ВИЭГ) РАЗВИТИЕ ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В РЕСПУБЛИКЕ КАЗАХСТАН Казахстан обладает значительными ветроэнергетическими ресурсами. Специальные исследования, проведенные в рамках совместного проекта Программы развития ООН и Министерства энергетики и минеральных ресурсов Республики Казахстан (РК), показали наличие хорошего ветрового климата и условий для строительства ВЭС в ряде районов, расположенных в различных регионах страны. Технический потенциал энергии ветра в республике составляет около 3 млрд. кВт/ч в год, теоретический потенциал возобновляемых ресурсов и источников энергии по ветру ориентировочно 1 820 млрд. кВт·ч в год, что в раз превышает объем потребления всех топливно-энергетических ресурсов республики, а экономический потенциал определен более чем в 110 млрд. кВт/ч, что в 1,5 раза больше годового внутреннего потребления энергоресурсов РК.

С использованием метеоданных был разработан ветровой атлас Казахстана, представляющий собой карту с распределением скорости ветра на всей территории страны.

Приблизительная оценка ветроэнергетических ресурсов Казахстана на основе ветрового атласа показывает, что на площади более 50 000 кв. км на высоте 80 метров наблюдается среднегодовая скорость ветра более 7 м/с. Утилизация этого потенциала позволила бы ежегодно вырабатывать около 1000 ТВт·ч электроэнергии, что на порядок превышает потребности Казахстана в электроэнергии.

Для освоения ветроэнергетического потенциала Министерством энергетики и минеральных ресурсов РК при поддержке Программы развития ООН была разработана Программа развития ветроэнергетики в Республике Казахстан до 2015 г. с перспективой до 2030 г. В рамках данной Программы предусматривается осуществление строительства ВЭС с вводом 250-300 МВт мощности к 2015 г. и до 2000 МВт к 2030 г. На этих электростанциях будут производиться до 1 млрд. кВт·ч электроэнергии к 2015 г. и до 5 млрд. кВт·ч к 2030 г.

Предусматриваются 3 основных этапа реализации Программы.

На первом этапе реализации Программы (2009-2010 гг.) предусматриваются следующие мероприятия:

• разработка и внедрение нормативно-правовых и технических документов для развития ветроэнергетики;

• подготовка планов по вводу мощностей ВЭС на период 2011-2015 гг.;

• строительство пилотной ВЭС мощностью 5 МВт в Джунгарских воротах;

• мероприятия по созданию научно-технической базы развития ветроэнергетики и информационной поддержке (формирование базы данных по перспективным районам для строительства ВЭС, исследования ветроэнергетического потенциала Казахстана, подготовка кадров);

• установление международных контактов в области развития ветроэнергетики.

На втором этапе Программы (2011-2015 гг.) предусматривается реализация следующих мероприятий:

• реализация проектов ВЭС на период 2011-2015 гг. в рамках Программы сертификатов возобновляемой энергии;

• подготовка планов по вводу ветроэнергетических мощностей на период до 2024 г.;

Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ • мероприятия по дальнейшему развитию научно-технической базы ветроэнергетики, исследования ветроэнергетического потенциала Казахстана, подготовка кадров, производство малых ветроустановок и компонентов крупных ветроустановок на отечественных предприятиях, сервисное обслуживание ветроустановок;

• международное сотрудничество в области развития ветроэнергетики.

На третьем этапе (2015-2024 гг.) предусматриваются следующие мероприятия:

• реализация проектов по вводу ветроэнергетических мощностей на период до 2024 г.

(предполагается, что к 2024 г. будут введены 1700 МВт мощностей ВЭС);

• определение планов ввода мощностей ВЭС на дальнейшую перспективу;

• мероприятия по дальнейшему развитию научно-технической и производственной базы ветроэнергетики.

Общий объем средств, необходимых на реализацию проектов строительства ВЭС, представленных в Программе, составляет порядка 2 082 млн. $ США.

Объем средств по этапам реализации Программы:

• Первый этап (2008-2010 гг.): строительство пилотной ВЭС 50 МВт в Джунгарских воротах – 7 млн. $ США.

• Второй этап (2011-2015 гг.): строительство ветроэнергетических мощностью 300 МВт – 375 млн. $ США.

• На перспективу до 2024 г.: строительство ВЭС мощностью 1700 МВт – 1 700 млн. $ США.

На реализацию проектов строительства ветроэлектростанций, организацию производства оборудования на отечественных предприятиях и сервисному обслуживанию ветроустановок предусматриваются государственные и негосударственные займы, отечественные и иностранные инвестиции, использование различных форм частно государственного партнерства.

Таблица 1. Перечень исследованных площадок для строительства ВЭС.

Предполагаемая № Наименование Скорость ветра на мощность ВЭС, Область п/п площадки высоте 50 м, м/с МВт Джунгарские 1 Алма-атинская 9,7 ворота 2 Шелекский коридор Алма-атинская 7,7 3 Кордай Жамбылская 6,1 10- 4 Жузымдык-Чаян ЮКО 6,7 10- 5 Астана Акмолинская 6,8 6 Ерементау Акмолинская 7,3 7 Каркаралинск Карагандинская 6,1 10- 8 Аркалык Костанайская 6,2 10- 9 Атырау Атырауская 6,8 10 Форт-Шевченко Мангыстауская 7,5 На реализацию мероприятий по развитию научно-технической базы ветроэнергетики, подготовке кадров, исследований ветроэнергетического потенциала, предусматриваются средства государственного и местного бюджетов, гранты международных организаций, другие, не запрещенные законодательством Республики Казахстан источники.

На основании имеющихся метеорологических данных в Программе были указаны первые площадки для сооружения ветровых электростанций. Суммарная мощность Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ ветроэлектростанций на исследованных площадках может составить порядка 420 МВт с годовым объемом производства электроэнергии около 2 млрд. кВт·ч. (табл. 1).

Мощность каждой ВЭС выбиралась исходя из потребности в электрической мощности региона, пропускной способности существующих электрических сетей и необходимой площади под площадку для ветроэлектростанции.

Однако в условиях существующего рынка электроэнергии ветроэнергетические ресурсы Казахстана практически не осваиваются. Основной причиной является неконкурентность ветроэнергетики на рынке электроэнергии. Стоимость электроэнергии от ВЭС с учетом возврата инвестиций может составлять порядка 8-12 тг/кВт·ч. Стоимость электроэнергии на шинах энергопроизводящих организаций составляет в настоящее время – 2-4,5 тг/кВт·ч. Прогнозируемая стоимость электроэнергии у генерирующих предприятий к 2015 г. может составить: в Южной зоне – 5,5-8,5* тг/кВт·ч, Западной зоне – 5-6 тг/кВт·ч, Акмолинской области – 5,5-7,9* тг/кВт·ч, Карагандинской области – 6-7,5* тг/кВт·ч (* – стоимость электроэнергии у энергопроизводящих организаций Павлодарской области с учетом транспорта по сетям КЕГОК). Необходимо отметить, что после возврата инвестиций, ветроэнергетика вполне может быть конкурентной на рынке электроэнергии.

Для обеспечения законодательной поддержки использованию возобновляемой энергии и с целью привлечения инвестиций в июне 2009 г. принят закон РК «О поддержке использования возобновляемых источников энергии». В настоящее время уже имеются первые результаты. Постепенно устраняются организационные и финансовые барьеры, растет интерес инвесторов. Например, немецкий концерн Vestas Wind Systems A/S, известный производитель ветрогенераторов, рассматривает вопрос о готовности вложения в Казахстан 200 млн. евро, построив ветроэлектростанции общей мощностью 500 МВт возле Астаны, в Ерементау и Шелекском коридоре. Планируется, что часть оборудования для ветропарков предоставят отечественные производители. В последние годы Казахстан серьезно пересматривает свои взгляды на перспективы ВИЭ.

При поддержке государства к 2014 г. предполагается строительство ветропарков в районе Шелекского коридора (установленной мощностью 51 МВт), в районе Джунгарских ворот (50 МВт на первом этапе), а также в Уланском районе Восточно-Казахстанской области (24 МВт). Таким образом, созданы необходимые условия для коммерческого развития ветроэнергетики в Казахстане. Успехи развития ветроэнергетики в Казахстане будут определяться поддержкой инвестиционных проектов со стороны уполномоченного государственного органа и местных органов власти.

ЛИТЕРАТУРА:

1. http://windenergy.kz .

2. www.undp.kz.

УДК 628.3:543. Д.Д. Колосова (асп., каф. ГСиПЭ), Л.М. Молодкина, д.ф.-м.н., проф.

ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ ПРОЦЕССА КОАГУЛЯЦИИ В ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ТОКСИЧНЫХ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ЖИДКИХ ОТХОДОВ В разработанной на кафедре гражданского строительства и прикладной экологии технологии очистки токсичных нефтесодержащих жидких отходов одной из стадий является фильтрационная очистка на трековых мембранах. Как показали проведенные ранее эксперименты, мембранная фильтрация может провоцировать процесс коагуляции примесей сложных стоков, если она не проведена предварительно. Особенно это относится к водам, Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ имеющим исходно резко отрицательный окислительно-восстановительный потенциал (от - до -300 мВ). Именно таким свойством характеризуются изучаемые жидкие отходы.

Цель работы состояла в обосновании режимов предварительной коагуляции токсичных нефтесодержащих жидких отходов с отрицательными значениями Redox-потенциала. Для достижения цели были поставлены следующие задачи: а) анализ процесса коагуляции жидких отходов с Eh -100 мВ;

б) определение вида и концентрации коагулянта, обеспечивающих эффективный процесс коагуляции нефтесодержащих жидких отходов при доведении их Redox-потенциала до положительных значений.

Эксперименты проводили на воде из карты полигона захоронения токсичных отходов.

В качестве коагулянтов в работе использовали водный раствор хлорида железа (III) (FeCl36H2O) и водный раствор оксихлорида алюминия торговой марки АКВА-АУРАТ (Аква-Аураттм 10 с массовой долей Al2O3(10±0,6)%).

Для сравнения скорости образования коагуляционных хлопьев и осадков использовали фотомониторинг стенда с пробирками, в которых протекал процесс коагуляции;

для анализа исходных вод и надосадночных жидкостей использовали анализатор Zetatrac («MicrotracInc.», США, пределы 0,8 – 6500 нм);

спектрофотометр СФ-56 (ООО «ЛОМО– Спектр», Россия), фотоэлектроколориметр КФК-3-01 (ЗОМЗ, Россия). Для определения окислительно-восстановительного потенциала (Eh) вод использовали титратор Т 70 (Mettler Toledo, Швейцария).

Пробы исходной воды характеризовались отрицательными значениями Eh (от – 300 до – 100 мВ). Известно, что в зависимости от Eh воды добавление хлорного железа приводит либо к протеканию процесса коагуляции, либо к окислительно-восстановительным процессам. Так в отрицательной области значений Eh эффект очистки воды хлоридом железа значительно ниже, чем для положительных величин [1].

Как отмечено во введении, ранее проведены эксперименты по коагуляции проб исходной воды с отрицательными значениями Redox-потенциала с разными концентрациями двух коагулянтов. Рост концентрации коагулянта приводил в целом к появлению множества мелких частиц в надосадке. И за 2 часа, проходившие с момента введения коагулянта, система не достигала равновесного состояния. Можно предположить, что в пробах продолжал активно протекать процесс коагуляции, при этом при низкой концентрации коагулянта он шел на спад, а при высоких концентрациях коагулянта продолжали образовываться новые центры коагуляции. Последующая мембранная фильтрация только активизировала процесс коагуляции.

В представленной работе произведено сравнение эффективности воздействия двух коагулянтов на исходную воду с Eh -100 мВ и на ту же воду, Eh которой доведен до положительных значений. На рис. 1, а,б приведены фотографии, отражающие состояние проб через 25 минут после введения оксихлорида алюминия (рис. 1, а) и хлорида железа (рис. 1, б), соответственно.

В целом при использовании оксихлорида алюминия процесс коагуляции в воде с положительным Eh протекал значительно быстрее, чем при применении хлорида железа. Так в пробах с оксихлоридом алюминия хлопьеобразование начиналось сразу после добавления коагулянта, а через 3-4 минуты наблюдалось выпадение осадка, в первую очередь, при минимальных концентрациях коагулянта (10 и 20 мг/дм3 по алюминию). При использовании хлорида железа в воде с положительным Eh хлопьеобразование начиналось через 10- минут, причем сначала в пробе с большей концентрацией коагулянта (80 мг/дм3). Как видно из рис. 1, б, к 25-ой минуте формирование осадка происходило тоже только при максимальной концентрации хлорида железа.

Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ а б Рис. 1. Фотографии, выполненные через 25 мин после добавления оксихлорида алюминия (а) и хлорида железа (б) в исходную воду с резко отрицательным значением Eh (левые пробирки) и в пробы воды, Eh которых доведен до положительного значения (группы из четырех пробирок).

Концентрации коагулянтов (по алюминию и по железу): 10 и 40 мг/дм3 (левые пробирки);

10, 20, 40 и 80 мг/дм3 – правые (группы из четырех пробирок) В то же время, в пробах с исходными отрицательными значениями Redox-потенциала слабо выраженный после добавления оксихлорида алюминия осадок начал образовывать более чем через 2 часа, а в опыте с хлоридом железа – более чем через 3 часа.

а б Рис. 2. Распределения по размерам взвешенных примесей проб воды из карты полигона токсичных жидких отходов с резко отрицательным значением Redox-потенциала (а) и доведенными до положительных значениями (б) через 2–4 часа после введения коагулянта оксихлорида алюминия с концентрациями (по металлу) 80 мг/дм Анализ данных, полученных на приборе Zetatrac через 2–4 часа после введения коагулянта (рис. 2), показал, что при действии оксихлорида алюминия на воду с отрицательным Eh в надосадке присутствовали взвешенные примеси размером от 50 нм и выше, с преобладанием частиц размером 200–500 нм;

после действия на воду с положительным Eh – преимущественно частицы свыше 1000 нм, причем их размер увеличивался с ростом концентрации коагулянта.

При использовании хлорида железа различные по распределения частиц по размерам для вод с разным знаком Eh и при разных концентрациях коагулянта, в то же время имели общую особенность – размер частиц во всех распределениях находился в диапазоне от 200 300 до 6500 нм. Кроме того, при положительном Eh и концентрациях 40 и 80 мг/дм3 (по железу) концентрационный индекс был в 5–6 раз ниже, чем в двух других пробах, что качественно согласуется с данными фотомониторинга.

Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ На рис. 3 приведены спектры надосадочной жидкости тех же проб, что и на рис. 1 (за исключением концентрации коагулянтов 20 мг/дм3), через двое суток после проведения эксперимента.

Из полученных спектров видно, что при длительном развитии процесса коагуляции эффективность действия двух коагулянтов при концентрациях 40 и 80 мг/дм3 почти одинакова, но при низких концентрациях преимущество оксихлорида алюминия очевидно.

Еще более очевидно влияние знака Eh воды на эффективность ее очистки путем коагуляции.

Рис. 3. Спектры надосадочной жидкости проб воды из карты полигона через двое суток после добавления коагулянтов. Условные обозначения: «+»– Eh 0, «-» – Eh 0 (-300 … -100 мВ);

10, 20, 40, 80 – концентрации оксихлорида алюминия (Al) и хлорида железа (Fe), мг/дм В целом, по представленным результатам можно заключить, что процесс коагуляции примесей при резко отрицательных значениях Redox-потенциала воды протекает медленно, рост концентрации коагулянта приводит в целом к появлению мелких взвешенных частиц в надосадке. При доведении Redox-потенциала до положительных значений при использовании оксихлорида алюминия коагуляция протекает быстро и эффективно.

Таким образом, показана целесообразность коррекции Eh воды для эффективного течения процесса коагуляции;

продемонстрировано преимущество оксихлорида алюминия по сравнению с хлоридом железа, особенно при низких концентрациях, как в первые минуты после введения коагулянтов, так и в условиях длительного развития процесса коагуляции при положительных значениях Redox-потенциала воды.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Никифорова Л.О., Белопольский Л.М. Влияние тяжелых металлов на процессы биохимического окисления органических веществ: Теория и практика / М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007. 78 с.

УДК 620. А.И. Кондауров (6 курс, каф. ВИЭГ), Г.И. Сидоренко, д.т.н., проф.

РЕТРОСПЕКТИВНЫЙ АНАЛИЗ СВЯЗИ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ВОДНОСТИ ГОДА ДЛЯ ЧЕБОКСАРСКОЙ ГЭС Волжско-Камский каскад ГЭС расположен в Центральной части России в Волго Камском речном бассейне. Суммарная площадь водосбора р. Волги и её притоков равна Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ 1360 тыс. км2, что составляет треть территории европейской части РФ. Расход воды в устье р. Волги составляет 8060 м3/с, а в устье самого крупного притока – р. Камы он равен 4100 м3/с.

На р. Волге каскад имеет восемь ступеней, его образуют следующие крупные гидроэлектростанции: Иваньковская, Угличская, Рыбинская, Нижегородская, Чебоксарская, Жигулёвская, Саратовская и Волгоградская. На р. Кама каскад образуют три крупные гидроэлектростанции: Камская, Воткинская и Нижнекамская.

В настоящее время Волжско-Камский каскад даёт около 20% электроэнергии, производимой на ГЭС России. Его установленная мощность составляет 12,8 ГВт, а годовая выработка электроэнергии колеблется от 35 до 40 ТВт.ч в зависимости от водности года.

Электроэнергия, вырабатываемая гидроэлектростанциями на Волге и Каме, позволяет ежегодно экономить 11,2-12,8 млн. т у.т. Волжско-Камский каскад ГЭС покрывает пики графика энергопотребления районов Центра, Урала и Поволжья.

Общий перепад уровней на Волге между верхним Иваньковским и нижним Волгоградским водохранилищами равен 109 м. На Каме перепад уровней составляет 47,5 м.

Каскад осуществляет многолетнее и сезонное регулирование стока. Многолетнее регулирование осуществляется на Рыбинской ГЭС, являющейся третьей ступенью каскада.

Полезный объём Рыбинского водохранилища составляет 14,4 км3. Остальные ГЭС каскада ведут сезонное перераспределение стока.

Самым крупным водохранилищем каскада является Жигулёвское с полезным объёмом 34,6 км3. Наибольшую установленную мощность равную 2560 МВт имеет Волгоградская ГЭС. Она является завершающей ступенью каскада и играет значительную роль в энергоснабжении Нижнего Поволжья и Донбасса.

ГЭС Волжско-Камского бассейна – низконапорные с расчётным напором от 7,4 до 19 м. Все ГЭС каскада имеют сходное конструктивное решение и используют плотинную русловую схему создания напора. Станции оборудованы вертикальными поворотно лопастными турбинами с диаметром рабочих колёс от 5 до 10,3 м. Исключением является Саратовская ГЭС, где наряду с поворотно-лопастными турбинами используются два горизонтальных капсульных гидроагрегата.

Можно выделить три основных проблемы эксплуатации ВКК: работа на пониженных отметках Чебоксарской и Нижнекамской ГЭС, а также проблемы связанные с необходимостью осуществления рыбохозяйственных попусков в нижний бьеф Волгоградского гидроузла с сопутствующими потерями в выработке электроэнергии.

Одним из главных нерешённых вопросов эксплуатации ВКК является проблема завершения строительства Чебоксарского гидроузла с подъёмом нормального подпорного уровня водохранилища до проектной отметки в 68 м. В настоящий момент отметка НПУ водохранилища составляет 63 метра, водохранилище не имеет полезной ёмкости, и не осуществляет регулирования стока в каскаде Волжских ГЭС, что негативно сказывается на всей энергосистеме Волги.

Работа на пониженной отметке приводит к ряду негативных последствий для энергетики, судоходства и экологии прилегающих регионов. В настоящее время Чебоксарская ГЭС использует не более 60% проектной мощности и ежегодно теряет до 1,4 ТВт·ч. Остается нерешённой и транспортная проблема по созданию единого глубоководного пути на участке между шлюзами Нижегородской и Чебоксарской ГЭС. На этом участке не обеспечивается гарантированная глубина в 4 м, что особенно негативно сказывается на прохождении через него крупнотоннажных судов. Происходит заболачивание и зацветание мелководий, что негативно сказывается на качестве воды в водохранилище.

Сходные проблемы наблюдаются и на Нижнекамском гидроузле, который также как и Чебоксарский, работает на непроектной отметке НПУ. Функционирование водохранилища Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ на промежуточной отметке приводит к тому, что Нижнекамская ГЭС не развивает проектной мощности и выработки, существующий низкий уровень воды затрудняет судоходство, водохранилище активно заболачивается.

Происходит прогрессирующее разрушение берегов Чебоксарского и Нижнекамского водохранилищ. Имеет место разрушение бетонных откосов и парапетов, размыв береговой полосы и оснований верховых откосов защитных дамб.

Ещё одной проблемой эксплуатации ВКК является противоречие между интересами энергетики и интересами рыбного хозяйства, особенно сильно проявляющееся на Волгоградском водохранилище.

Строительство Волгоградского гидроузла преградило миграционный путь полупроходным (лещ, вобла, судак, сазан) и проходным (белуга, севрюга, осетр) рыбам.

Зарегулирование стока Нижней Волги изменило гидрологический режим реки, что отрицательно сказалось на условиях воспроизводства рыбы. Произошло сокращение сроков затопления нерестилищ проходных и полупроходных рыб. Из раннее существующей территории нерестилищ осетровых сохранилось всего 11%.

Рис. 1. К определению выработки электроэнергии от водности года Необходимо компромиссное решение между энергетикой и рыбным хозяйством Нижней Волги, а именно эколого-рыбохозяйственные попуски в нижний бьеф в период половодья для обводнения нерестилищ промысловых видов рыб.

Авторами выполнен ретроспективный анализ связи водности с выработкой электроэнергии ВКК на примере Чебоксарской ГЭС. Для этого были проанализированы фактические ряды, отражающие режим работы ГЭС. Некоторые результаты анализа представлены на рис. 1–4.

Рис. 2. Маловодные годы. Связь выработки электроэнергии и водности года Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ Рис. 3. Годы средней водности. Связь выработки электроэнергии и водности года Рис. 4. Многоводные годы. Связь выработки электроэнергии и водности года На рис. 1 приведены данные о ежемесячной выработке электроэнергии Чебоксарской ГЭС и среднем турбинном расходе ГЭС за месяц в течение 29 лет наблюдений. Установлена хорошая корреляционная зависимость, которая описывается уравнением ГЭС ЭМ = 61.69 + 0.038 * QT. Коэффициент корреляции составляет 0,905. Полученное уравнение является простой моделью Чебоксарской ГЭС и может быть использовано для оценки прогнозной выработки электроэнергии при изменении водности, вызванной климатическими изменениями.

Для повышения точности прогнозирования были выделены группировки многоводных, маловодных и средневодных лет. И для этих сгруппированных данных были установлены статистические зависимости между выработкой электроэнергии и турбинным расходом ГЭС.

Из рис. 2-4 видно, что наименьший коэффициент корреляции (0,918) получен на группировке многоводных лет. Это связано с большей долей холостых сбросов воды через водосбросные сооружения.

Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ УДК 621. А.Ю. Абакшин, Г.А. Ноздрин, В.С. Дворцов (асп., каф. ДВС), С.Ю. Лазарев (с.н.с., ВУНЦ ВМФ «ВМА им. Н.Г. Кузнецова»), М.И. Куколев, д.т.н., проф.

НЕКОТОРЫЕ СПОСОБЫ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ УПЛОТНЕНИЯ ПОРШНЕВОГО ЗАЗОРА ДВИГАТЕЛЯ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ Эффективная работа двигателя с внешним подводом теплоты (ДВПТ) напрямую зависит от конструкции применяемых уплотнительных элементов и, прежде всего, от уплотнения поршней. Поиск оптимальных решений в этой области остается актуальным.

Особенности рабочего процесса и конструкции ДВПТ, условия работы поршневых уплотнений предполагают воздействия на них высоких уровней перепада давлений, температур, а также, в большинстве случаев, необходимость работы при отсутствии смазки.

Уплотнения должны обеспечивать надежную герметизацию внутреннего контура двигателя и минимальный уровень механических потерь.

Проведённые в августе-сентябре 2012 г. совместно кафедрой ДВС и научной лабораторией ДВПТ ЭнМФ СПбГПУ, при участии ВУНЦ ВМФ «ВМА», работы по созданию экспериментальной установки на основе ДВПТ подтвердили необходимость тщательного подхода к решению данной проблемы.

В качестве материала для изготовления уплотнений поршней была выбрана композиция Ф4К15М5 на основе фторопласта Ф4. При высоких температурах входящие в состав композиции кокс и молибден обеспечивают необходимые антифрикционные свойства материала. При этом механические свойства материала позволяют обеспечить необходимую газонепроницаемость уплотнения.

Начальная конструкция уплотнительных колец, приведенная на рис. 1, а, при использовании со стальными плоскими пружинами не обеспечивала необходимую газонепроницаемость зазора в паре поршень-гильза. Предположительно, это связано с особенностью изначальной конструкции имеющегося двигателя, заключающейся в применении т.н. «нагруженного картера», т.е. герметичной внутренней полости картера двигателя, уровень давления в которой близок к уровню давления рабочего тела в цилиндре двигателя.

а) б) в) Рис. 1. Варианты конструкции поршневых уплотнений ДВПТ Применение конструкции уплотнения, представленной на рис. 1, б, обеспечило необходимую газонепроницаемость. Однако в связи с большой жесткостью материала кольца и чрезмерным натягом в паре кольцо-гильза цилиндра при работе уплотнения наблюдался повышенный уровень механических потерь, что заставило отказаться от этой конструкции.

Приемлемое выполнение необходимых требований к поршневому уплотнению было достигнуто путем применения уплотнения, конструкция которого показана на рис. 1, в.

Утечки рабочего тела через уплотнение минимальны, а после приработки исчезают практически полностью. При этом за счет конструкции уплотнения и минимальной площади контакта с поверхностью цилиндра механические потери при работе уплотнения находятся на приемлемом уровне.

Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ Выводы о работе представленных выше вариантов конструкции уплотнений были сделаны по итогам сравнительно-оценочных испытаний, проводившихся на образце двигателя Стирлинга компоновочной модификации «альфа» номинальной мощностью 3 кВт.

Общий вид образца ДВПТ представлен на рис. 2.

Рис. 2. Общий вид образца ДВПТ, использовавшегося при испытаниях Схема установки одного из вариантов конструкции уплотнения в поршневом зазоре представлена на рис. 3. Разъёмная конструкция поршней двигателя позволяет применять неразъемные уплотнительные кольца. Уплотнения других вариантов конструкции уплотнения устанавливались аналогичным образом.

поршень стенка (верхняя часть) цилиндра поршень (нижняя часть) уплотнительное кольцо Рис. 3. Схема установки поршневого уплотнения Следующим этапом работ будет применение технологий ВУНЦ ВМФ «ВМА им.

Н.Г. Кузнецова» по снижению трения в парах «Кольцо-Цилиндр».

Таким образом, после проведения испытаний и оценки эффективности трех вариантов конструкции поршневых уплотнений ДВПТ, можно сделать вывод о том, что уплотнение конструкции, сходной с приведенной на рис. 1, в, изготовленное из композиции Ф4К15М5, обеспечивает выполнение основных требований к поршневым уплотнениям ДВПТ.

Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ ЛИТЕРАТУРА:

1. Уокер Г. Двигатели Стирлинга. – M.: Машиностроение, 1985. – 401 с.

2. Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга. – М.: Мир, 1986. – 463 с.

3. Ноздрин Г.А., Дворцов Д.С., Абакшин А.Ю. Разработка стенда для испытаний двигателя с внешним подводом теплоты. – Материалы ХХХI отраслевой научн.-техн. конф. молодых специалистов «Морское подводное оружие. Морские подводные роботы – вопросы проектирования, конструирования и технологий. МПО-МС-2011». – СПб.: ОАО «Концерн «Морское подводное оружие – Гидроприбор», 2011. – с. 59-62.

Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ ПРИКЛАДНЫЕ РАЗРАБОТКИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ В ОБЛАСТИ ИНЖЕНЕРНЫХ НАУК УДК 627.01:532.5. А.В. Шипилов (асп., каф. ГТС), Н.П. Лавров, д.т.н., проф.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА МОДЕЛИ ВОДОЗАБОРНОГО СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ ДЕРИВАЦИОННОЙ ГЭС В работе рассмотрено планирование эксперимента на физической модели водозаборного сооружения для деривационной ГЭС (ВСДГ), при исследовании зимнего режима эксплуатации данного сооружения. Подобные сооружения построены в 2008 году для деривационных ГЭС на реке Иссык-Ата в Чуйской области Кыргызской Республики и в 2010 г. на реке Мерке в Джамбульской области Республики Казахстан. Опыт эксплуатации ВСДГ показал, что в зимний период возникают затруднения с пропуском шуги и льда через створ сооружения. Экспериментальные исследования проводились в июле-августе 2012 г. на Модельной русловой установке Кыргызско-Российского Славянского университета [4].

Схема русловой установки представлена на рис. 1, геометрический масштаб модели – 1:20.

Рис. 1. Схема модельной русловой установки Кыргызско-Российского Славянского университета:

1 – напорный бассейн;

2 – мерный треугольный водослив;

3 – успокоитель;

4 – подводящее русло в лотке с переменным уклоном дна;

5 – модель ВСДГ;

6 –система отводящих лотков с водомерами;

7 – сливной бак;

8 – шпитценмасштаб (мерная игла);

9 – отстойник;

10 – вход в подводящее русло В ходе планирования экспериментов по исследованию пропускной способности ВСДГ прежде всего были определены масштабные коэффициенты модели, исходя из соблюдения Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ критерия гравитационного подобия Фруда, в автомодельной области по Рейнольдсу.

Произведено сопоставление метода расчета масштабного коэффициента при гидравлическом моделировании шуги, предложенного Векслером А.Б. и Генкиным З.А. [1, 2], с прямым пересчетом по формуле для определения гидравлической крупности, предложенной Бибиковым Д.Н. [3]. Графики данного сопоставления приведены на рис. 2.

Рис. 2. Сравнение результатов расчетов различными методами масштабного коэффициента при гидравлическом моделировании шуги. Сплошная линия – метод, предложенный Векслером А.Б.

и Генкиным З.А.;

штриховая линия – прямой пересчет по формулам Бибикова Д.Н.

Сравнение масштабных коэффициентов моделирования шуги, определенных двумя методами, показало удовлетворительную сходимость результатов при больших масштабах моделирования.

Моделирование шуги производилось частицами полиэтилена, имеющего плотность близкую к плотности льда. Для подачи необходимого расхода частиц эмитирующих шугу, был использован дозатор сыпучих фракций, описание которого приведено в монографии [4].

Дозатор был предварительно прокалиброван на используемый фракционный состав частиц.

Для определения расходных характеристик при совместной работе затвора зимнего водозабора и сдвоенного затвора промывного тракта, обеспечивающих подачу воды в водоприемную камеру сооружения и сброс ее в нижний бьеф, также использовались методы планирования эксперимента. В качестве плана, был выбран ротатабельный центрально композиционный план второго порядка. В результате применения данного плана при проведении экспериментов определены доминирующие факторы и получены расходные характеристики, представленные на рис. 3.

На рис. 3 приняты следующие обозначения: QЗЗВ – расход затвора зимнего водозабора, м3/с;

QПТ – расход перелива через сдвоенный затвор промывного тракта, м3/с;

QАГР – расход одного агрегата Иссык-Атинской ГЭС, м3/с;

aЗЗВ – открытие затвора зимнего водозабора, м;

HПТ – напор над сдвоенным затвором промывного тракта, м;

HУВБ – расчетная глубина в верхнем бьефе сооружения, м. Представленные графики показывают заметное влияние открытия затвора зимнего водозабора aЗЗВ на расход перелива QПТ через сдвоенный затвор промывного тракта.

Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ а) б) 2.5 1. 2 HПТ/HУВБ aЗЗВ/HУВБ 0. 0.00 0. 1. QЗЗВ/QАГР QПТ/QАГР 0.09 0. 0. 0. 1 0. 0. 0.27 0. 0.5 0.36 0. 0. 0.45 0. 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0. aЗЗВ/HУВБ HПТ/HУВБ Рис. 3. Расходные характеристики при совместной работе затвора зимнего водозабора (а) и сдвоенного затвора промывного тракта (б) Это явление следует учитывать в последующих экспериментах, так как снижение транзитного расхода QПТ отразится на шугосбросной способности ВСДГ.

В тоже время влияние относительного напора HПТ/HУВБ на расход истечения из-под затвора зимнего водозабора QЗЗВ (см. рис. 3а) проявляется меньше.

Применение методов математического планирования эксперимента при физическом моделировании гидравлических процессов позволило провести исследование зимнего режима эксплуатации ВСДГ в достаточном объеме при минимальных затратах времени.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Векслер А.Б., Генкин З.А. Определение масштабного коэффициента при гидравлическом моделировании движения частиц льда в потоке жидкости // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. – 1986. – Т.180. – С. 26-31.

2. Векслер А.Б., Генкин З.А., Васильева И.М. Условия гидравлического моделирования шуги при ледотермических исследованиях гидротехнических сооружений // Известия ВНИИГ им.

Б.Е. Веденеева. – 1988. – Т.205. – С. 13-15.

3. Бибиков Д.Н. О гидравлической крупности шуги // Гидротехническое строительство. – 1952. – Т.3. – С. 19-21.

4. Гидротехнические сооружения для малой энергетики горно-предгорной зоны / под ред.

Н.П.Лаврова. – Бишкек: ИД «Салам», 2009. – 504 с.

УДК 621. А.М. Данилишин (5 курс, каф. КВХТ), Ю.Б. Галеркин, д.т.н., проф., Ю.В. Кожухов, к.т.н., доц.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЁТА ВЯЗКОГО ТРЁХМЕРНОГО ПОТОКА В КОМПЛЕКСЕ ПРОГРАММ ANSYS CFX 14.0 И НАТУРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ДЛЯ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ КОМПРЕССОРНОЙ СТУПЕНИ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ТИПА С УЧЁТОМ ПРОТЕЧЕК В связи с увеличением вычислительной мощности компьютерных систем стало возможным использовать численные методы решения уравнений и систем уравнений вычислительной гидрогазодинамики (CFD) с применением моделей турбулентности для исследования вязких пространственных течений в многосеточных моделях турбокомпрессоров. Численный эксперимент позволяет оптимизировать проточную часть Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ компрессора на стадии проектирования, что позволяет выбрать наилучший вариант по требуемым параметрам: КПД и напору.

Основная задача работы – сравнить результаты расчёта вязкого пространственного течения, проведенные при помощи комплекса CFD программ ANSYS 14.0, с результатами натурных испытаний, проведённых на кафедре КВХТ [1]. Объектом исследования является компрессорная центробежная ступень промежуточного типа, включающая зазоры и лабиринтные уплотнения между вращающимся рабочим колесом и неподвижным корпусом (см. рис. 1).

z Рис. 1. Схема проточной части модельной ступени и расположение контрольных сечений замеров полного и статического давления На рис. 1 изображены: входной патрубок-конфузор (ВК), рабочее колесо (РК) с лабиринтными уплотнениями (ЛУ), безлопаточный диффузор (БЛД), обратно-направляющий аппарат (ОНА) со спрямляющим конфузором (СК), показаны три граничных условия (ГУ 1, ГУ 2, ГУ 3) и расположения контрольных сечений, в которых измерялись полные и статические давления во время натурного и численного эксперимента.

Расчётная область ступени состоит из угловых секторов элементов её проточной части.

Для создания расчётной области были построены геометрические модели всех элементов проточной части модельной ступени, созданы блочно-структурированные гексаэдрические расчётные сетки конечных объемов, построенные для лопаточных аппаратов в приложении ANSYs Turbogrid 14.0, а для БЛД, ЛУ и ВК в ICEM CFD 14.0. У стенок выполнено сгущение элементов сетки. Максимальное значение безразмерной пристеночной координаты (характеризует разрешающую способность сетки вблизи стенки) y+=54 в РК, минимальное y+=5 в ЛУ. Всего построено несколько расчетных сеток, для получения наилучшего результата была выбрана сетка с общим числом элементов 3,12 млн.

Граничные условия для расчёта принимались на основе данных натурных испытаний:

на входе в расчётную область (ГУ 1) и на выходе из осевого уплотнения вала (ГУ 3) полное давление P*=102184 Па, полная температура T*=280,9 К;

на выходе из ступени (ГУ 2) условие "open" (возможность обратного тока через границу), статическое давление P=123500 Па, полная температура T*=301,7 К. На боковых поверхностях задавался интерфейс периодичности вокруг оси z. Так как часть экспериментального стенда покрыта слоем теплоизоляции для уменьшения теплообмена с окружающей средой, на стенках выбрано условие отсутствия теплообмена между потоком и стенками (адиабатные стенки). В качестве рабочего тела использовалась модель идеального газа. Для рабочего колеса задавалась вращающаяся область с частотой вращения n=9840 об/мин.

На основании работы [2] расчёт проводился в стационарной постановке задачи с применением RANS-модели турбулентности SST, в которой итерационно решаются уравнения Навье-Стокса, осреднённые по числу Рейнольдса. Связь неподвижной области с Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ вращающейся областью производилась по критерию "Stage" (аппроксимация параметров течения через осреднение по окружной координате, при этом изменение параметров на границе соединения происходит только в меридиональном сечении). В параметрах решателя использовалась функция Specified blend factor =0.8, где 0 соответствует противопоточной схеме дискретизации потока первого порядка точности, а 1 – схеме второго порядка точности. При решении уравнений Навье-Стокса число среднеквадратичной "невязки" RMS достигло значения, меньших 10-4, следовательно, данный результат можно считать сошедшимся.

После проведения вычислений было проведено сравнение результатов численного и натурного экспериментов режима, максимально близкого к расчётному, на котором были проведены замеры параметров потока при натурном эксперименте, т.е. при значении условного коэффициента расхода Ф=0,0625 (см. табл. 1).

Таблица 1. Сравнение результатов расчётов в ANSYS CFX с данными натурного эксперимента.

Отклонение, % Параметр Эксперимент Расчет КПД политр. по полн.

p*2-2 0,916 0,927 1, парам., сеч. 2- КПД политр. по полн.

p*3-3 0,894 0,907 1, парам., сеч. 3- КПД политр. по полн.

p*0’-0’ 0,843 0,860 2, парам., сеч. 0'-0' Коэф. внутр. напора i 0,518 0,524 1, Коэф. политр. напора по полн. парам., сеч. 2- p* 2-2 0,474 0,488 2, Коэф. политр. напора по полн. парам., сеч. 3- p*3-3 0,463 0,475 2, Коэф. политр. напора P* 0'-0' по полн. парам., сеч. 0,437 0,450 2, 0'-0' Из табл. 1 видно, что значения КПД и коэффициентов напора p* завышены в пределах допустимой погрешности. Отклонение определялось по следующей формуле:

P Pэксп = расч 100%, (1) Pэксп где Pрасч, Pэксп – расчётные и экспериментальные параметры потока.

Расчет коэффициентов протечек (перетечки у покрывающего диска РК и утечки у основного диска РК) через лабиринтные уплотнения производился по формуле:

mпр пр = 100%, (2) m где mпр – массовый расход протечек, m – массовый расход через ступень.

Значения коэффициентов перетечек и утечек по результатам расчёта вязкого потока на расчётном режиме пер = 0,87% и ут = 0,29% соответственно.

Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ На рис. 2 показаны линии тока в лабиринтных уплотнениях и в начальных сечениях зазоров на выходе из РК на расчётном режиме.

а) б) Рис. 2. Линии тока: а) в лабиринтных уплотнениях, б) в начальных сечениях зазоров на выходе из РК На основании полученных данных можно сделать вывод о приемлемой точности численного эксперимента для расчетного режима.

Авторы выражают благодарность проф. Ю.Я. Болдыреву (директор отделения вычислительных ресурсов ИТК СПбГПУ) за предоставленный доступ к высокопроизводительному вычислительному кластеру.

Работа выполнена при поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации (грант № МК-5839.2012.8).

ЛИТЕРАТУРА:

1. Ю.Б. Галеркин. Экспериментальные исследования и развитие методов проектирования, основанных на анализе пространственного потока / Труды научной школы компрессоростроения СПбГПУ. Под ред. проф. Ю.Б. Галеркина. С. 188-210.– Изд. СПбГПУ, СПб., 2010.

2. Гамбургер Д.М. Численное моделирование течения вязкого газа в центробежной компрессорной ступени: методика и результаты: дис. канд. техн. Наук. – СПбГПУ, СПб., 2009. – 190 с.

УДК 621.398- Е.С. Мясникова (асп., каф. ГМ), Г.И. Топаж, д.т.н., проф.

АНАЛИЗ МЕТОДИКИ РАСЧЁТА КАВИТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГИДРОТУРБИН, РЕАЛИЗОВАННЫЙ В АПК «ГРАНИТ»

Задача определения кавитационных показателей гидротурбины является чрезвычайно актуальной и имеет большое практическое значение, поскольку кавитация в значительной степени определяет надёжность, долговечность и стоимость гидротурбины.

В данной работе приводятся результаты экспериментальных и расчетных исследований кавитационных показателей высоконапорной радиально-осевой гидротурбины РО-270.

Экспериментальные исследования этой гидротурбины были проведены на стенде обратимых гидромашин НПО ЦКТИ. Он был создан в середине 80-х годов как эталонный стенд СССР. В 2010 году была начата его реконструкция и модернизация. В настоящее время стенд по своим техническим характеристикам полностью соответствует требованиям МЭК.

Проведение испытаний на стенде может осуществляться с малой погрешностью, к примеру, средняя квадратичная погрешность при определении КПД гидромашины не превосходит 0,3 %. Максимальный диаметр рабочих колес испытываемых моделей 600 мм. При этом мощность балансирной электромашины постоянного тока достигает 200 кВт. Диапазон Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ изменения основных параметров в рабочей зоне составляет: по расходу – 0,2…0,85 м3/с;

по – напору 20…40 м;

по мощности – 120…200 кВт.

При кавитационных испытаниях на каждом фиксированном режиме работы, который характеризуется приведенными оборотами n’1 и расходом Q’1, с помощью вакуумной системы понижалось статическое давление в проточной части гидротурбины, которое определяется безразмерным кавитационным коэффициентом установки. Значение кавитационного коэффициента гидротурбины определяется с помощью зависимости = f () (рис. 1–3) как величина 1, при которой за счет кавитации происходит падение КПД на 1% по сравнению с его значением, полученным на бескавитационном режиме работы гидротурбины (когда относительное значение КПД равно отн = 0,99 (рис. 1–3)).

Рис. 1. Экспериментальная и расчетная кавитационные характеристики гидротурбины РО270 для режима Рис. 2. Экспериментальная и расчетная кавитационные характеристики гидротурбины РО270 для режима Кавитационный эксперимент – это довольно сложный, трудоёмкий и длительный процесс, требующий больших физических и экономических затрат. В связи с этим весьма актуальной является задача надежного определения кавитационных показателей гидротурбины с помощью расчетных исследований, в частности на основе методики расчета, реализованной в АПК «ГРАНИТ» [1].

Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ Рис. 3. Экспериментальная и расчетная кавитационные характеристики гидротурбины РО270 для режима Расчёт кавитационных показателей высоконапорной РО гидротурбины РО- проводился для тех же режимов, при которых были проведены экспериментальные исследования этой гидротурбины. На рис. 1–3 показаны расчетная и экспериментальная зависимости относительного КПД гидротурбины РО270 от кавитационного коэффициента установки для режимов 1 – 3.

В табл. 1 для трёх режимов ((режим 1 (n’1=55 об/мин, Q’1=0,612 м3/с), режим (n’1=62 об/мин, Q’1=0,386 м3/с), режим 3 (n’1=81 об/мин, Q’1=0,431м3/с.)) приводится сопоставление расчётных и экспериментальных значений кавитационного коэффициентов турбины.

Таблица 1. Сопоставление результатов расчета и эксперимента.

Режим режим 1 режим 2 режим 1, эксперимент 0,046 0,032 0, 1, расчет 0,051 0,049 0, Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

Реализованная в АПК “ГРАНИТ» методика расчета кавитационных показателей в ряде случаев даёт заметную погрешность в определении кавитационного коэффициента турбины, которая обусловлена следующими причинами:

распределение давлений, полученное на основе расчета обтекания двумерных решёток профилей, расположенных на осесимметричных поверхностях тока, может значительно отличаться от фактического распределения давлений, найденного в результате решения прямой трёхмерной задачи;

расчётные и экспериментальные исследования показали, что при возникновении кавитации меняется распределение давлений не только в области образования кавитационной каверны (по сравнению с расчётом бескавитационного обтекания), но и вблизи этой каверны, где давление больше давления парообразования;

в методике, заложенной в основу расчета АПК «ГРАНИТ», не учитывается влияние потерь энергии в проточной части гидротурбины на распределение давлений по лопасти рабочего колеса;

Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ из условия безотрывного обтекания лопасти идеальной жидкостью при расчёте распределения давлений в зоне входной и выходной кромок рабочего колеса могут возникать большие пики давлений.

Учитывая тот факт, что расчётное критическое значение кавитационного коэффициента во всех рассмотренных случаях превышает экспериментальное, можно говорить о применимости полученного результата расчётных исследований для оценки высоты отсасывания, не приводящей к срыву энергетических параметров гидротурбины.

Следует также отметить, что относительная погрешность расчетного определения кавитационного коэффициента гидротурбины существенно возрастает для высоконапорных гидротурбин, которые характеризуются малыми величинами указанного коэффициента.

Проведённое сопоставление расчётов с экспериментом указывает на возможность применения методики АПК «ГРАНИТ» для прогнозирования кавитационного показателя на этапе проектирования гидротурбины и выбора окончательного варианта на основе результатов сравнения всех рассмотренных. После выбора окончательного расчётного варианта можно ставить вопрос о необходимости экспериментальной проверки.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Захаров А.В., Топаж Г.И. Автоматизированный программный комплекс «ГРАНИТ», Энергомашиностроение, Труды СПбГПУ, №491, Санкт-Петербург, 2004. с.80-99.

2. IEC 60193, Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines – Model acceptance tests, Second edition, 1999.

УДК 519.6:533. В.Ю. Исупов, Ю.Д. Леоненко, А.С. Максимов (6 курс, каф. ТДиУ), Е.Ю. Семакина, к.т.н., доц., В.А. Черников, к.т.н., проф.

КВАЗИСТАЦИОНАРНОЕ ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОТОКА В СТУПЕНИ БОЛЬШОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕЗУЛЬТАТОВ ТРАДИЦИОННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПОСЛЕДУЮЩИМ ВНЕДРЕНИЕМ ИННОВАЦИОННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА Целью данной работы является тестирование с целью оптимизации численной модели течения в турбинной ступени путём сравнения с результатами экспериментальных исследований. Также планируется внедрение инновационного эксперимента с применением лазерно-оптического метода PIV, позволяющего исследовать течение без возмущения потока и непосредственно измерять поля векторов скорости потока.

Объектом исследования является модель последней ступени стационарной газовой турбины, работающей в блоке с выходным диффузором. Ступень имеет большой коэффициент циркуляции за счёт отрицательной закрутки потока при выходе из РК. Перед ступенью установлен предварительный направляющий аппарат (ПНА), имитирующий закрутку потока на выходе из предыдущей ступени.

Актуальность данной темы обусловлена необходимостью учета влияния неосевого выхода потока из последней ступени газовой турбины на особенности течения в последующем диффузоре и вызываемые этими особенностями изменения к.п.д. ступени.


Кроме того, для таких ступеней в расчётах важно правильно моделировать влияние вторичных течений в направляющем аппарате на характер течения в рабочем колесе, формирующем поток на входе в диффузор. Ступени данного типа встречаются не только в ГТУ комбинированного типа, но и в ЦВД паровых турбин. Указанные особенности работы Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ характерны также и для последних ступеней ЦНД, за которыми установлены выходные патрубки с диффузорами. Современные пакеты CFD позволяют выполнять газодинамические расчеты таких сложных течений и тем самым помогают оптимизировать конструкции ступеней. При этом важнейшее значение имеет корректность численной модели, которая может быть подтверждена только с помощью тестирования результатами физического эксперимента.

Для проведения численного расчёта была создана сеточная модель ступени в специализированной программе TurboGrid. Расчеты выполнялись в программном CFD пакете ANSYS CFX (версия 14). Модель состояла из элементов и включала в себя сектор НА из 5 лопаток (всего 59) и сектор РК из 4 лопаток (всего 47). Для моделирования турбулентности была выбрана k- модель. При переходе от области НА к области РК был использован интерфейс STAGE. Граничные условия задавались по данным эксперимента: на входе – массовый расход 11,094 кг/с и температура, на выходе – статическое давление. Расчет производился на персональном компьютере с процессором Intel i7, с тактовой частотой 3.2 ГГц и оперативной памятью 16 Гб.

По результатам расчёта были произведены сравнения внутреннего КПД с экспериментальным (табл. 1), а также радиальных распределения скоростей, давлений и температур в сечении за рабочими лопатками (рис. 1, 2).

Таблица 1. Сравнение внутренних КПД.

Расчёт Эксперимент 0,73 0, 0,86 0, Рис. 1. Сравнение радиальных распределений давлений и температур на выходе из РК Как видно из рис. 1, 2, численный расчет радиальных составляющих давлений и температур, а также осевой проекцией скорости Ca даёт небольшое отклонение от эксперимента. Однако наиболее интересующие нас тангенциальные и радиальные компоненты скорости, которые и определяют закрутку потока на выходе из РК, существенно отличаются от экспериментальных данных, особенно в прикорневых и периферийных сечениях.

Для более полного сравнения следует усовершенствовать как численный метод (путём перехода к нестационарной постановке задачи), так и эксперимент.

Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ Рис. 2. Сравнение составляющих скоростей потока на выходе из РК Наиболее распространённый в экспериментальной аэродинамике метод исследования потока рабочего тела – пневмометрический метод базируется на использовании 5-канальных 3-мерных пневмометрических зондов. Но данный метод сложно применять в интересующих нас прикорневых и периферийных сечениях канала, а также происходит возмущение исследуемого потока зондами.

Для получения более подробных результатов распределения скорости по выбранному сектору и возможности исследовать нестационарные течения по мгновенным полям скорости запланировано использовать лазерно-оптический метод PIV (Particle Image Velocimetry). Схема измерений по этому методу приведена на рис. 3, его реализация осуществляется с помощью лазерно-оптического комплекса PIV кафедры ТДУ.

Рис. 3. Схема измерений методом PIV Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ Поток с трассёрами течёт в каналах РЛ. Две вспышки лазера подсвечивают частички, с помощью эндоскопов делаются два снимка и обрабатываются по кросс-корреляционному алгоритму в программе ActualFlow [2].

В ходе исследования разрабатываются конструктивные мероприятия по совершенствованию стенда ЭТ-4 лаборатории турбиностроения СПбГПУ с целью применения измерительной системы PIV.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Черников, В.А., Семакина, Е.Ю. Измерение вектора скорости и параметров потока в турбомашинах. – СПб: Изд-во Политехнического университета, 2009. – 39 с.

2. Институт теплофизики СО РАН. Руководство пользователя программы “ActualFlow”. – Новосибирск, 2008.

УДК 621.039. П.Н. Коок (6 курс, каф. АиТЭУ) ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ТЕЧЕНИИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПАКЕТА ANSYS Ядерный реактор типа SCWR (supercritical water-cooled reactor), охлаждаемый водой сверхкритических параметров (СКП), принят в качестве одного из перспективных реакторов IV-го поколения в рамках программы «Международный форум «Поколение IV» (МФП) (Generation IV International Forum – GIF) [1]. Наиболее важными направлениями НИОКР, связанных с созданием реакторов подобного типа, являются:

разработка конструкции активной зоны, включая проведение связанных расчетов ее нейтронно-физических и теплогидравлических параметров;

анализ устойчивости реактора при переходных и аварийных режимах;

экспериментальное исследование характеристик теплообмена в трубах и пучках стержней при использовании воды СКП в качестве теплоносителя;

численное моделирование теплогидравлических процессов в ЯЭУ при течении теплоносителя СКП на основе CFD (Computational Fluid Dinamics);

обоснование и разработка оптимального вводно-химического режима [2].

В настоящей работе решалась задача определения температуры оболочек стержневых твэл при омывании теплоносителем сверхкритических параметров и термодинамических свойств воды в межтрубном пространстве с помощью трехмерных теплогидравлических расчетов с применением ANSYS CFD – пакета, реализующего функции вычислительной гидродинамики (англ. Computational fluid dynamics, CFD).

На первом этапе была построена твердотельная геометрической модель (рис. 1), имитирующая объем, внутри которого происходит исследуемое течение. Эта модель является основой для построения расчетной сетки в межтрубном пространстве тепловыделяющей сборки (ТВС). Для сокращения объема необходимых вычислений, при сохранении качественной картины исследуемого явления, использовалась симметрия ТВС:

расчетная область представляет собой канал, являющийся элементом треугольной решетки трубного пучка. Расчеты выполнены без моделирования конструкции дистанционирующих решеток.

Была построена гексагональная разностная сетка, равномерная по длине и сгущающаяся вблизи смоченных поверхностей. Суммарное число контрольных объемов составило 1,2·106 единиц.

Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ Рис. 1. Геометрическая модель ТВС и выбранная расчетная область На втором этапе проводилась верификация расчетов на модели с докритическими параметрами воды: давление 1 атм, температура воды на входе 20°С, плотность теплового потока q = 100 кВт/м2.

Для определения температуры стенки (рис. 2) использовалась формула для числа Нуссельта в треугольной упаковке стержней [5]:

Nu=A·Re 0.8·Pr 0.4, (1) 2 0. где A=0, 0165 +0, 02 1 – d·x x.

Рис. 2. Температура стенки, полученная в ANSYS (---) и по формуле (1) (---) На основе полученных результатов была выбрана SST модель турбулентности и значение параметра турбулентности на входе.

На последнем этапе проводился расчет при сверхкритических параметрах воды:

давление 23.6 МПа, температура воды на входе 377°С, плотность теплового потока q = 1.2 МВт/м2.

Полученные результаты расчета визуализировались и анализировались в ANSYS CFX Post (рис. 3).

В ходе выполнения работы была построена твердотельная модель ТВС ВВЭР-СКД, из которой была выделена рабочая область для моделирования течения воды сверхкритических параметров.

Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ Рис. 3. Распределение температуры стенки (1) и плотности (2) теплоносителя по длине канала На основе полученной геометрии в ICEM CFD была сгенерирована расчетная сетка.

В CFX Pre-Proccessor на поверхностях сетки были заданы граничные и начальные условия.

На основе полученного в Solver Manager решения в CFD Post были построены графики распределения температуры и плотности теплоносителя и температуры стенки твэл по длине расчетной области.

Для более детального изучения процесса теплообмена при сверхкритических параметрах воды необходимы эксперименты на стержневых сборках. Следует выявить режимы, при которых возникает ухудшение теплообмена и пикообразный рост температуры стенки твэла [3–4]. Также интересна проверка эффективности различных перемешивающих поток устройств: витого оребрения, дистанционирующих решеток. В расчетном плане представляет интерес разработка моделей турбулентности, включающих в себя корреляции пульсаций плотности и скорости, которые обычно не учитываются при умеренном изменении теплофизических свойств теплоносителя [6].

ЛИТЕРАТУРА:

1. Юрманов В.А., Терентьева М.И. Особенности организации водно-химического режима ядерных реакторов, охлаждаемых водой сверхкритических параметров // Атомная техника за рубежом, 2011.

№9, С. 14-17.

2. Семченков Ю.М., Сидоренко В.А. Перспективы развития АЭС с реакторами типа ВВЭР // Теплоэнергетика, 2011, Вып. 5, С. 361-369.

3. А. В. Жуковский, Л. В. Карева Теплоотдача при течении воды сверхкритического давления в трубе диаметром 30мм // «Труды ЦКТИ», Л., 1973, вып. 119.

4. Силин В.А., Семченков Ю.М., Алексеев П.Н., Митькин В.В. Исследование теплообмена и гидравлического сопротивления при течении воды сверхкритических параметров применительно к ядерным установкам // Атомная энергия, Т 108, Вып. 6, июнь 2010, С. 340-347.

5. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам:

(Ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). М.: Энергоатомиздат, 1984. 296 с.

6. Смирнов В.П., Папандин М.В., Лонинов А.Я., Ванюкова Г.В. Афонин С.Ю. Применение CFD – кода к расчету теплообмена в реакторе со сверхкритическими параметрами // Атомная энергия, Т 111, Вып. 4, октябрь 2011, С. 196-201.

Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ УДК 004.383.8, 004. Диего Кабесас (асп., каф. КСиПТ), Я.Д. Садин (5 курс, каф. КСиПТ), А.Е. Васильев, к.т.н., доц.


РАЗРАБОТКА СТЕНДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОДДЕРЖКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ Функционально-ориентированные процессоры (контроллеры) (далее – ФОП, ФОК) представляют собой специализированные вычислители, содержащие архитектурные и схемотехнические решения, направленные на эффективное (в смысле минимизации трудозатрат разработчика целевой системы, минимизации времени выполнения алгоритма, минимизации затрат памяти и др.) решение относительно узкого (специального) класса задач управления.

К типовым приложениям, в которых целесообразно и востребовано применение ФОП и ФОК, относятся, прежде всего, различного рода бортовые системы управления. Развитие бортовых систем управления характеризуется ростом требований к точности и надежности, ростом сложности алгоритмов, увеличением числа различных датчиков, ужесточением требований к частотным характеристикам, массогабаритным показателям и потребляемой мощности.

Актуальность выполнения работ по тематике, связанной с разработкой методов и средств поддержки проектирования ФОК и ФОП, представляется достаточно существенной, т.к. во многих практических случаях требуется применение максимально оптимизированных (в указанном выше контексте) решений, при этом многообразие функциональных возможностей микроконтроллеров общего назначения зачастую оказывается излишним, а программная реализация на таких микроконтроллерах специальных алгоритмов – недопустимо затратной с точки зрения указанных выше критериев оптимальности системы.

В работе получены новые научно-технические решения, направленные на обеспечение автоматизации исследований в области проектирования функционально-ориентированных микроконтроллеров, в том числе с интеллектуальной обработкой данных на основе нечетких вычислений.

Целью данной работы является создание автоматизированного рабочего места («стенда») для проведения исследований в области проектирования и исследования функционально-ориентированных микроконтроллеров. Подчеркнем, что в работе речь идет не столько о создании некоторого «целевого» решения для эффективного решения конкретной задачи, сколько об автоматизации проектирования ФОК для задач управления.

Для достижения указанной цели авторами решены следующие задачи:

• анализ предметной области и особенностей применения функционально ориентированных контроллеров в системах управления;

• выявление типовых подходов, решений и методик, используемых при разработке ФОК;

• создание архитектурных, схемотехнических и программных решений, направленных на разработку специализированного автоматизированного рабочего места разработчика ФОК;

• проведение экспериментальных исследований разработанного комплекса проектирования и выработка направлений его дальнейшего развития.

В качестве основы ФОК авторами выбрано ядро популярного семейства микроконтроллеров MCS-51, дополняемое набором периферийных устройств. В этот набор входят как типовые периферийные устройства (применяемые в составе большинства Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ разновидностей микроконтроллеров), так и специализированные, служащие для решения целевых задач, характеризующих конкретный ФОК.

В качестве аппаратной платформы для реализации стендового оборудования для поддержки проектирования ФОК использован отладочный комплект LDM-EP3C25-E144 на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) семейства Cyclone III фирмы Altera.

В результате работы создан аппаратно-программный исследовательский комплекс для разработки и исследования функционально-ориентированных микроконтроллеров на основе ПЛИС, обеспечивающий совместимость со средствами САПР (Quartus II, Shell51) и предоставляющий широкий спектр возможностей модификации и расширения его структуры.

С применением аппаратуры комплекса разработан демонстрационный функционально ориентированный микроконтроллер (МК) семейства MCS-51 с периферийными устройствами авторской разработки (в частности, со встроенным аппаратным драйвером жидкокристаллического индикатора и с блоком генерации ШИМ-сигналов);

выполнен ряд экспериментов.

Комплекс позволяет разрабатывать и исследовать широкий спектр встраиваемых микроконтроллерных систем управления и пригоден к применению в научных экспериментах и учебно-методической работе.

УДК 681. В.А. Глухов (4 курс, каф. САУ), А.А. Ефимов, д.т.н., проф., ГУАП СИНТЕЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ АКТИВНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ НАПРЯЖЕНИЯ Актуальность работы обусловлена всё возрастающим интересом разработчиков систем электропривода и энергосбережения к вопросам повышения экономичности использования электрической энергии, электромагнитной совместимости и минимизации мощности искажений питающей сети. Одним из перспективных путей решения проблемы энергоэффективности является использование в составе систем электропривода и энергосбережения, схем активных полупроводниковых преобразователей, позволяющих при достаточно высоких значениях КПД обеспечивать, преобразование переменного напряжения в постоянное, двухсторонний обмен энергией с питающей сетью, практически синусоидальную форму потребляемого (рекуперируемого) тока и возможность регулирования входного коэффициента мощности активного полупроводникового преобразователя.

Цель работы заключается в анализе энергетических и динамических показателей работы активного выпрямителя напряжения при различных алгоритмах управления и реализации, как векторной, так и прогнозирующей релейно-векторной системы автоматического управления, а также сопоставлении результатов математического моделирования и экспериментальных испытаний опытного образца активного выпрямителя напряжения (АВН) мощностью110 кВт.

В ходе работы были разработаны имитационные математические модели активного выпрямителя напряжения с алгоритмами широтно-импульсной модуляции и прогнозирующего релейно-векторного управления. Составлена и отлажена компьютерная модель замкнутой системы автоматического регулирования активного выпрямителя напряжения в среде MatLab/Simulink.

Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ На рис. 1 представлена структурная схема силовой части АВН.

ua ub ia ic uc ib ud cos * * ud Рис. 1. Структурная схема АВН Рис. 2. Сетевое напряжение и ток АВН (вверху – эксперимент, внизу – MatLab-модель) Системы автоматического регулирования в опытном образце активного выпрямителя напряжения мощностью 110 кВт были реализованы на специализированном сигнальном микроконтроллере TMS320F28335, для которого на языке СИ были реализованы соответствующие программы управления. Проведено сопоставление результатов математического моделирования и экспериментальных испытаний опытного образца активного выпрямителя напряжения.

На рис. 2 представлены осциллограммы напряжения и тока сети. Установлено, что опытный образец АВН имеет следующие энергетические характеристики:

S = 108 кВА – полная потребляемая мощности;

Cos = 0.99 – коэффициент мощности;

КПД = 0.9607 – коэффициент полезного действия;

Кг = 6.17 % – коэффициент нелинейных искажений потребляемого тока.

Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ Осциллограммы переходных процессов изменения выходного напряжения АВН при набросе нагрузки от половинной до номинальной (от 55кВт до 110 кВт) в опытном образце и MatLab-модели АВН с векторной САУ представлены на рис. 3.

Рис. 3. Переходные процессы в векторной САУ АВН при набросе нагрузки от половинной до номинальной (слева – эксперимент, справа – MatLab-модель) Таким образом, установлено, что опытный образец АВН имеет следующие динамические характеристики:

величина динамического провала выпрямленного напряжения АВН при набросе половинной нагрузки – 2,5 %;

время переходного процесса – 20 мс.

Выводы. Результаты экспериментальных испытаний с высокой степени адекватности совпадают с результатами математического моделирования. Экспериментально доказана возможность достижения высоких энергетических и динамических показателей работы АВН.

Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ УДК 004. П.О. Семенов (асп., каф. ИБКС), В.В. Платонов, к.т.н., проф.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АРХИТЕКТУРЫ МОДУЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ СЕТЕВЫХ АТАК В работе проектируется прототип модульной системы обнаружения сетевых атак и вторжений, каждый модуль отвечает за обнаружение некоторого набора атак. Модули обнаружения функционируют параллельно, что позволяет существенно сократить время анализа каждого сетевого пакета и повысить гибкость программного комплекса. В основе системы обнаружения лежат методы интеллектуального анализа данных: методы сокращения размерности и методы распознавания образов. Методы сокращения размерности позволяют определить оптимальный набор параметров трафика, необходимых для обнаружения заданного множества атак. Методы распознавания образов позволяют обучать систему на примерах атак и классифицировать сетевые пакеты на нормальные и атаки.

Формирование каждого модуля обнаружения состоит из следующих этапов:

1. Выбор обучающих дампов, набора исследуемых атак, протокола транспортного уровня и перечня «базовых» параметров трафика. Также указывается сетевой фильтр для увеличения отношения пакетов с меткой «атака» к числу всех пакетов в тренировочных данных.

2. Извлечение «базовых» параметров из тренировочных сетевых дампов. В работе рассматриваются параметры заголовков IP, TCP, UDP и ICMP пакетов и статистические параметры TCP-сеансов.

3. Обработка обучающей выборки при помощи метода главных компонент – представителем методов сокращения размерности. Основные цели данного этапа – определение наиболее значимых «базовых» параметров и формирование правил для вычисления «новых» параметров, являющихся линейной комбинацией базовых параметров и обладающих наибольшей дисперсией.

4. Обработка обучающего множества из «новых» векторов методом опорных векторов (SVM) – представителем методов распознавания образов. Выполняется обучение машины опорных векторов, построение SVM-модели и вычисление характеристик классификации выборок из тренировочного множества.

5. Блок «автоматической настройки» на основании результатов работы предыдущих блоков цепочки вырабатывает решения об изменении внутренних параметров модулей, алгоритмов и свойств. Процесс подбора параметров состоит из трёх вложенных циклов настройки: машина опорных векторов, метод главных компонент и выбор базовых параметров. Целью данного блока является достижение наибольшего процента правильно классифицированных пакетов и наибольшего быстродействия системы.

Сформированный модуль обнаружения обладает следующими атрибутами: набор «базовых» параметров, правила вычисления «новых» параметров и SVM-модель, позволяющая классифицировать вектор в пространстве «новых» параметров.

В рамках исследования были сформированы модули обнаружения для отдельно взятых атак категорий User-to-Root и Remote-to-Local из классификации DARPA. Для большинства атак был получен результат в 100% правильно классифицированных пакетов. Для схожих атак получены одинаковые наборы «базовых» параметров. При объединении нескольких атак одного типа в классы также достигается 100% распознавание, при этом увеличивается количество опорных векторов.

Процесс тестирования состоял из 3 этапов. В первой части тестирования использовались многоразрядные параметры трафика, извлекаемые из заголовков IP и TCP Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ пакетов. Всего использовалось 14 базовых параметров, 6 для IP и 8 для TCP. Для значительной части атак было достигнуто 100% распознавание.

Путём разделения многоразрядных параметров на несколько частей, кратных 8 битам, число базовых параметров было увеличено до 24. В результате аналогичного тестирования для большего числа атак было достигнуто 100% распознавание. По сравнению с многоразрядными параметрами увеличилось количество опорных векторов, и большую роль стал играть выбор рассматриваемой матрицы в методе главных компонент. В программном прототипе возможна работа с матрицами корреляции, ковариации и матрицей сумм квадратов и смешанных произведений.

На третьем этапе тестирования в набор рассматриваемых базовых параметров были включены статистические параметры TCP-сеансов: время соединения, число переданных и принятых пакетов, байт и число пакетов с различными флагами – всего 49 базовых параметров. Для всех рассмотренных атак существенно увеличилось число опорных векторов в SVM-моделях, что вызвано увеличением разрядности пространства. Для нескольких атак так и не был получен 100% результат. Для некоторых атак оказалось достаточно от 2 до 5 новых параметров из 49 для достижения 100% распознавания и незначительного увеличения числа опорных векторов.

Проведённые эксперименты с отдельными модулями обнаружения показали хорошую работоспособность системы и применимость выбранных интеллектуальных методов анализа данных для поставленной цели. Машина опорных векторов позволяет идентифицировать значительную часть рассмотренных атак со 100% вероятностью, а в остальных случаях ошибка не превышает нескольких процентов от числа всех пакетов. Методы сокращения размерности помогают сократить объём информации, необходимой для классификации сетевых пакетов и существенно повысить производительность системы.

В программном прототипе модули обнаружения объединяются в проекты. В проекте происходит группировка модулей обнаружения по типу анализируемого протокола транспортного уровня и сетевому фильтру. Такая группировка позволяют сократить объём вычислений при анализе сетевого трафика: извлечение базовых, вычисление новых параметров и анализ векторов в машине опорных векторов производится только группами модулей обнаружения, для которых сетевой пакет подходит по сетевому фильтру.

После подбора оптимальных настроек каждого отдельного модуля создаются общие наборы «базовых» параметров и набор правил вычисления всех «новых» параметров для каждой группы модулей обнаружения. Анализ трафика выполняется параллельно всеми модулями обнаружения, предварительно для каждого пакета блок фильтрации указывает участвующие в анализе группы модулей обнаружения.

Внутри проекта используется общий список тренировочных дампов. Это позволяет сформировать блок реакции – отдельный узел прототипа, состоящий из одной SVM-модели.

При обучении и анализе каждого отдельного сетевого пакета, реакция всех модулей обнаружения записывается в отдельный вектор. В дальнейшем, множество этих векторов обучается на машине опорных векторов и вычисляется SVM-модель.

Решение о вторжении принимается блоком реакции на основании сигналов всех модулей обнаружения. Такой подход позволяет включать отдельные атаки сразу в несколько модулей обнаружения, что позволяет повысить вероятность обнаружения и существенно сократить число ложных срабатываний системы.

Для некоторых атак, не распознанных программным прототипом при помощи одного модуля обнаружения со 100% вероятностью, применение нескольких модулей обнаружения с избыточным числом рассматриваемых «базовых» и «новых» параметров позволяет сократить число ошибок второго рода до нуля.

Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ Также в работе исследуется применимость математических методов для объединения различных сетевых атак в классы. При помощи кластерного анализа [1] возможно разделение множества атак на непересекающиеся классы на основании весовых коэффициентов для списка «базовых» параметров, полученных при помощи методов сокращения размерности.

Объединение атак в классы позволит сократить число модулей обнаружения, создав общие модули для целых классов атак. Такое объединение способствует выявлению глубинных зависимостей внутри каждого класса, что позволит обнаруживать атаки данного класса, не участвовавшие в обучении модуля обнаружения.

Ещё одним достоинством модульной архитектуры обнаружения является масштабируемость системы: при необходимости обучения системы множеству новых атак достаточно обучить и добавить в проект новые модули обнаружения, при этом существующие модули менять не придётся.

Выводы. Модульная архитектура позволяет построить достаточно гибкую систему обнаружения, способную выявлять атаки, используя множество модулей обнаружения с простыми SVM-моделями, что существенно эффективнее и надёжнее, чем построение одного общего классификатора с большим числом рассматриваемых параметров и количеством опорных векторов. Применение различных методов, возможность настройки внутренних параметров и пороговых значений позволяют добиться оптимального соотношения производительности системы и точности распознавания атак.

ЛИТЕРАТУРА:

1. С. А. Айвазян. Прикладная статистика: классификация и снижение размерности / Айвазян С. А., Бухштабер В. М., Енюков И. С., Мешалкин Л. Д. – М.: Финансы и статистика, 1989. – 608 с.

УДК 531.133. С.А. Ноздрин (6 курс, каф. МиР), А.А. Иванов, к.т.н., доц.

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕНЕТИЧЕСКИХ АЛГОРИТМОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ПЛАНИРОВАНИЯ ФОРМЫ ГИПЕРИЗБЫТОЧНОГО МАНИПУЛЯТОРА ПРИ СЛЕДОВАНИИ ВДОЛЬ ТРАЕКТОРИИ Гиперизбыточные манипуляторы характеризуются тем, что число степеней подвижности таких манипуляторов значительно превышает минимально необходимое, определенное контекстом задачи (в общем случае равное шести для пространственных манипуляторов). С одной стороны, такая структура предоставляет определенный потенциал для манипуляций и маневрирования, например, при работе в среде с препятствиями [1]. С другой стороны, классические методы управления плохо подходят для управления манипуляторами такого типа.

В данной работе рассмотрена задача определения формы манипулятора, задаваемой множеством {Q} = {q1, q 2,..., q n } обобщенных (шарнирных) координат манипулятора по целевому положению конечного его звена в шестимерном пространстве, определяемому множеством координат {X } = {x, y, z,,, }. Задача следования концевого звена манипулятора вдоль некоторой траектории {X (t )}, t [0, T ] сводится к построению множества форм по множеству k точек {X (t i )}, t i = i T (k 1), i = 0,1,..., k 1 на траектории.

Величина отклонения концевого звена от траектории зависит как от точности полученных решений {Q(ti )}, так и от способа интерполяции {Q(t )} при переходе манипулятора из одной конфигурации в другую.

Материалы лучших докладов Недели науки СПбГПУ Размерность задачи n, где n – количество обобщенных координат, много больше числа уравнений кинематики, в общем случае равного шести. В таких случаях принято искать оптимальное решение. В литературе широкое применение для решения подобных задач нашло использование псевдообратных матриц (псевдообратного Якобиана) [1,2], что сводится к решению задачи оптимизации для позиционного и ориентационного отклонений положения конечного звена манипулятора. Другой подход основан на постановке задачи отыскания формы манипулятора в виде задачи оптимизации с явно заданной целевой функцией в виде комбинации критериев [3]. Преимущества такого подхода в том, что критерии могут быть не только геометрическими, но и соответствовать механическим ограничениям, вытекающим из конструктивных особенностей манипулятора и внешних условий его функционирования. Ранее авторами было рассмотрено применение градиентных методов для оптимизации комбинированных критериев при решении задачи о нахождении формы манипулятора, в том числе при движении вдоль траектории [4]. Недостатком такого подхода является необходимость достаточно тонкой настройки весов комбинированного критерия, а также зависимость от начального приближения. Как результат последнего, при моделировании следования вдоль траектории манипулятора с ограничениями углов поворота и моментов в шарнирах возникают ситуации «запирания» манипулятора – невозможности следовать к следующему целевому положению из-за нахождения отдельных шарниров в предельных состояниях. Это связано с природой градиентных методов и локальностью находимых решений.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.