Розробка цифрового двійника процесу теплообміну в умовах концептуальної невизначеності

Анотація

Актуальність. Розвиток промисловості характеризується активним впровадженням кіберфізичних систем, ключовим елементом яких є цифрові двійники. Цифрові двійники дозволяють підвищити ефективність управління технологічними процесами, забезпечити прогнозування режимів роботи обладнання, оптимізацію енергоспоживання та зменшення експлуатаційних витрат. Водяні калорифери є важливою складовою систем теплогенерації та теплоспоживання промислових об’єктів, що зумовлює необхідність створення адекватних моделей, здатних точно відображати реальні процеси теплообміну. Однак аналітичні моделі таких апаратів часто містять невизначені параметри, що знижує точність моделювання та ускладнює їх практичне застосування без додаткової ідентифікації.

Метою публікації є розробка цифрового двійника водяного калорифера на основі аналітичної моделі, адаптованої до реальних умов теплообміну шляхом ідентифікації невизначених параметрів. Аналітична модель розглядається як базовий приклад, що забезпечує можливість її узагальнення для різних типів теплообмінного обладнання.

Методи дослідження. У роботі використано аналітичне моделювання теплових процесів та методи пасивної ідентифікації параметрів математичної моделі. Адаптація динамічної моделі здійснюється шляхом мінімізації квадратичного критерію якості, що характеризує відхилення змінних простору стану математичної моделі від експериментальних даних реального процесу теплообміну. Для пасивної ідентифікації використано чисельні методи.

Результати. Проведено аналіз аналітичної математичної моделі водяного калорифера та встановлено наявність чотирьох невизначених параметрів, які потребують уточнення для забезпечення адекватності моделі. До таких параметрів віднесено витрати матеріальних потоків та коефіцієнти тепловіддачі, що визначають інтенсивність теплового потоку через теплообмінну поверхню апарату. На основі чисельного моделювання показано, що задача ідентифікації невизначених коефіцієнтів має одноекстремальний характер, що забезпечує стійкість результатів оптимізації та можливість застосування стандартних чисельних методів. Отримані результати чисельного моделювання підтвердили ефективність запропонованого підходу до адаптації аналітичної моделі та розробки цифрового двійника водяного калорифера.

Висновки. Запропонований підхід до розробки цифрового двійника водяного калорифера забезпечує адекватне відтворення реального процесу теплообміну та може бути використаний у складі кіберфізичних систем промислових підприємств. Розглянутий метод ідентифікації легко поширюється на інші типи теплообмінного обладнання, що застосовуються в системах теплогенерації та теплоспоживання.