WWW.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Pages:   || 2 |

«ГРУНТОВЫХ ВОД НА ОСНОВЕ ИНВАРИАНТНОЙ НЕСТАЦИОНАРНОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОЛЬДЕРНЫХ СИСТЕМ ...»

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

БОБАРЫКИН Николай Дмитриевич

УДК 556.324.001.57(06)

ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМОМ ГРУНТОВЫХ ВОД НА

ОСНОВЕ ИНВАРИАНТНОЙ НЕСТАЦИОНАРНОЙ

МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОЛЬДЕРНЫХ СИСТЕМ

Специальность:

05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы

и комплексы программ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Калининград 2007

2

Работа выполнена в ГОУВПО «Калининградском государственном

техническом университете» (КГТУ)

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор, Латышев К.С.

(Российский государственный университет им. И. Канта (РГУ им. И. Канта))

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор Холодов А.С.

(Инс титут автоматизации проектирования РАН (ИАП РАН), г. Москва);

доктор физико-математических наук, профессор Дикусар В.В.

(Вычислительный центр РАН, г. Москва);

доктор физико-математических наук, профессор Альес М.Ю.

(Инс титут прикладной механики УрО РАН, г. Ижевск).

Ведущая организация: Институт математического моделирования РАН (г. Москва)

Защита состоится 10 декабря 2007г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065. в ИжГТУ по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке инс титута, а с авторефератом диссертации – на официальном сайте ВАК РФ vak.ed.gov.ru.

Автореферат разослан _ ноября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Б.Я. Бендерский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Агропромышленная отрасль страны, использующая комплексную мелиорацию заболоченных и переувлажненных земель, оказывает исключительное влияние на развитие сельскохозяйственного производства в целом, без которого не могут быть решены вопросы продовольственной безопасности страны и конкурентоспособности российской сельскохозяйственной продукции на мировом рынке. Сохранение, воспроизводство и рациональное использование плодородия земель сельскохозяйственного назначения является актуальной проблемой, требующей принятия эффективных решений и действий. Улучшение плодородия сельхозугодий расценивается как важнейшая забота о национальном достоянии страны. Выполненный в 2004 г. в соответствии с Концепцией развития мелиорации в России анализ состояния агропромышленного комплекса показал, что в целом для устойчивого развития сельского хозяйства страны необходимо увеличить площадь осушаемых земель до 7 – 8 млн. га. Решение этой задачи требует создания и внедрения наукоемких технологий, совершенных мелиоративных систем, методов, форм и средств управления режимами комплексных осушительных мелиораций.

Основными средствами транспортировки воды от осушаемых массивов (ОМ) в рассматриваемых мелиоративных (польдерных) системах (ПС) служат сети проводящих открытых каналов (СПОК). Главными элементами СПОК являются: пассивные элементы – линейные учас тки проводящих каналов, узлы – места их соединения и активные элементы – откачивающие насосные станции, сосредоточенные в активных узлах. Для эффективного и равномерного осушения мелиорированных земель используются дренажные трубы (ДТ) различных диаметров, укладываемые на определенную глубину и расстояние между ними, перпендикулярно руслам проводящих каналам.

Наиболее широкое применение на практике проектирования и эксплуатации мелиоративных систем имеет метод водного баланса, который позволяет проводить оценки значений уровня грунтовых вод (УГВ) осушаемого массива с учетом речного стока или проводящими каналами польдерных систем.

Расчеты водного баланса по совокупности приходных и расходных потоков влаги в их динамике и взаимосвязи весьма сложны и трудоемки. Составляющие компоненты водного баланса выступают как случайные переменные величины, и могут быть как непрерывными функциями, так и дискретными, и их взаимозависимость не выражается однозначно в явном виде и является малоизученной, например, взаимосвязь между приходящими и уходящими потоками влаги на границах зоны аэрации и поверхнос тью грунтовых вод, что делает этот метод малопригодным для управления водным режимом осушаемых массивов в реальном масштабе времени.

Другой вид математических моделей мелиоративных систем, базирующихся на гидродинамических дифференциальных уравнениях, имеет два существенных недостатка и также не способствует построению методологии управления режимом увлажнения корнеобитаемого слоя почвы (РУКС). Во-первых, невозможность увязки в единую математическую модель фрагментарного моделирования процессов переноса воды в проводящей сети и в осушаемом массиве без учета их взаимодействия. Во-вторых, отсутствие инструментария системного подхода при моделировании сложных инженернотехнических систем, включающего семантическую модель технологического процесса, использования теории направленного графа объекта, синтез разрешающей системы дифференциальных уравнений и т.д.

Таким образом, постановка задачи математического моделирования и управления мелиоративными системами требует системного подхода и дальнейшего усовершенствования. В частнос ти, необходимо учес ть взаимодействие осушаемого массива со стоком каналов и рек, и обеспечить создание энергосберегающих технологий, обеспечивающих оптимальный режим увлажнения корнеобитаемого слоя почвы, путем управления УГВ ОМ (оптимальному положению УГВ Нор соответствует максимально возможный поток влаги Umax от поверхности грунтовых вод).

При отсутс твии теоретических разработок, методик и работоспособных алгоритмов оптимального управления РУКС, основанных на модельных расчетах, а также стратегии управления УГВ, требуется создание новых концепций и постановок задачи трехмерного моделирования ПС и управления РУКС почвы осушаемых земель.

Для реализации решения данной проблемы необходимо провести анализ и обобщить опыт моделирования отдельных задач в процессе эксплуатации и конструирования мелиоративных сис тем, сформулировать интегральную постановку задачи математического моделирования ПС с единых позиций, где каждая прикладная задача рассматривается как частный случай общего подхода, разработать эффективные методы ее численного решения в малоисследованной облас ти многокритериальных задач, включающих нелинейные нестационарные одномерные и двухмерные дифференциальные уравнения гидродинамики, нелинейные алгебраические соотношения и системы неравенс тв.

Решению данных актуальных задач и посвящена настоящая диссертационная работа.

Объектом исследования являются польдерные системы, состоящие из сетей проводящих открытых каналов с откачивающими насосными станциями, осуществляющими отвод воды с осушаемых массивов и, тем самым, управляя уровнем грунтовых вод УГВ Нор, обеспечивая эффективный режим увлажнения корнеобитаемого слоя почвы мелиорированных земель.

Предметом исследования являются методы системного анализа конструкций и технологий ПС; методы и алгоритмы численного расчета уровневого режима в СПОК, автоматически учитывающие баланс потоков воды в каналах, основанные на системе дифференциальных уравнений Сен-Венана с естественными начальными и граничными условиями; методы и алгоритмы численного решения двумерного уравнения Буссинеска, описывающего пространственно-временное распределение УГВ в осушаемых массивах;

методы и алгоритмы численного расчета потоков воды в дренажных системах;

методы и алгоритмы численного расчета влагообмена в зоне аэрации описываемого уравнением капиллярного потенциала влаги; стратегия и алгоритмы оптимального управления УГВ, включая целевые функции и функциональные ограничения параметров технологических процессов; выбор и реализация эффективных методов многокритериальной скалярной и векторной оптимизации; информационное обеспечение; реализованная интегральная структура математического моделирования ПС и управления РУКС.

Цель работы состоит в создании научно-обоснованной интегральной трехмерной нес тационарной математической модели ПС (ИТ НММ ПС) и управления РУКС почвы мелиорированных земель на основе с тратегии управления УГВ, обеспечивающей энергосбережение, высокую эффективнос ть вегетации сельскохозяйственных культур и минимизацию материальных и трудовых затрат при проектировании, строительс тве и эксплуатации польдерных систем. Для реализации пос тавленной цели необходимо решить следующие задачи:

- анализ существующих технологий и теоретических работ по проектированию, эксплуатации и математическому моделированию польдерных систем с целью выработка научно-обоснованных решений для построения трехмерной математической нес тационарной инвариантной модели ПС и управления УГВ, РУКС; разработка ее методологии, состава и структуры;

- разработка алгоритмов численного расчета потоков влаги от грунтовых вод с учетом испарения с поверхности почвы, транспирации рас тений и выпадающих осадков, основанных на численном решении дифференциальных уравнений капиллярного потенциала почвы и теплового баланса, обеспечивающих оптимальный режим увлажнения в корнеобитаемом слое мелиорированных почв;

- разработка вектора целевых функций, имеющего следующие компоненты: интенсивность снижения уровня грунтовых вод (ИС УГВ), время снижения уровня грунтовых вод (ВС УГВ); равномернос ть распределения УГВ (РР УГВ); исследование и выбор функциональных ограничений параметров технологического процесса; разработка с тратегии оптимального управления УГВ: ИС УГВ max, BC УГВ min и РР УГВ min при выполнении функциональных ограничений параметров технологического процесса; выбор эффективных методов многокритериальной скалярной и векторной оптимизации;

- декомпозиция исходной постановки задачи моделирования СПОК на подзадачи с последующим синтезом системы разрешающих дифференциальных уравнений, осуществляемым на ребрах направленного графа, с заданием граничных условий в вершинах графа;

- построение алгоритма численного решения системы дифференциальных уравнений Сен-Венана, описывающих уровневый режим в СПОК, для которого автоматически выполняется закон сохранения потока воды в точках ветвления проводящих каналов;

- моделирование динамики УГВ и РУКС почвы ПС, основанного на двухмерном уравнении Буссинеска, дифференциальном уравнении переноса воды в ДТ и трехмерном уравнении для капиллярного потенциала влаги, при задании естественных граничных условий: а) взаимодействия СПОК с ОМ; б) влагообмена между УГВ и корнеобитаемым слоем почвы;

- разработка экономичных алгоритмов, основанных на консервативных и эффективных разностных схемах, численного решения нелинейных дифференциальных уравнений для дренажных систем, капиллярного потенциала влаги и уровня грунтовых вод в ОМ;

- разработка алгоритма интерпретатора полученных результатов расчета параметров ПС, преобразующего их из ЛСК в ОСК ПС;

- разработка алгоритмов, основанных на консервативных и эффективных разностных схемах повышенного порядка точнос ти, численного решения дифференциальных уравнений в обыкновенных и частных производных параболического и гиперболического типов, необходимых для тес тирования и выверки применимости более экономных разностных схем первого порядка.

Методы исследования. В работе используются методы теории оптимального управления, системного анализа конструкций и технологий польдерных систем, математической статистики, теории и практики математического моделирование сложных инженерно-технологических систем, численные методы решения нелинейных дифференциальных уравнений гидродинамики и теории фильтрации жидкостей через пористые структуры, методы решения оптимизационных многокритериальных задач, теория графов.

При моделировании и управлении РУКС почвы польдерная система представляется в виде множеств пассивных, активных элементов и точек соединений проводящих каналов, на которые накладывается структура направленного графа, соответствующая расчетной схеме ПС. Каждый элемент множеств получает свое математическое описание в рамках теории гидродинамики течений (фильтрации) жидкости.

Синтез разрешающей системы моделирующих уравнений, описывающих динамику воды в СПОК с соответствующими начальными условиями, осуществляется на ребрах, а формирование граничных условий, выражающих законы сохранения расхода воды, в вершинах графа ПС, которые являются условиями «сшивания» системы моделирующих уравнений вдоль ветвей обхода графа ПС. Производительность активных элементов – насосных станций, при их наличии в ветвях графа ПС, используется в качестве соответс твующих граничных условий.

Моделирование режима УГВ и РУКС почвы ОМ, прилегающих к СПОК, основывается на численном решении двухмерного уравнения Буссинеска, трехмерного уравнения для капиллярного потенциала и задании естес твенных граничных условий взаимодействия СПОК и ОМ. При наличии дренажных систем к указанной системе дифференциальных уравнений подключается и дифференциальное уравнение переноса воды в ДТ. Таким образом, задача моделирования РУКС почвы сводится к решению трехмерной нестационарной задачи, в которой пространственно - временное распределение УГВ вычисляются в горизонтальных, а потоков влаги U- в вертикальных плоскостях.

Для численного интегрирования системы дифференциальных уравнений Сен-Венана вдоль ветвей обхода графа ПС с учетом сохранения расхода воды в точках соединения каналов, указанная система уравнений приводилась к каноническому виду. А алгоритм численного решения строился при введении новых прогоночных соотношений, учитывающих число обхода каждого проводящего канала, что автоматически обеспечивает выполнение закона сохранения потоков в точках ветвления каналов. Численные решения остальных уравнений в частных производных строились на основе консервативных разностных схем с первым порядком точнос ти по времени и вторым - по координатам, а также проводились итерации по нелинейности и связанности дифференциальных уравнений.

Стратегия управления РУКС почвы мелиорированных земель определяется управлением потоком влаги U(Нор, h) Umax, при t min и учете технологических ограничений, в процессе которого уровень грунтовых вод ННор (критерий управления уровнем грунтовых вод УГВНор ) и высота корнеобитаемого слоя h hор. Вектор целевых функций для управления УГВ формируются из трех компонент – интенсивности снижения уровня грунтовых вод, времени снижения УГВ до определенного значения и равномерности распределения УГВ.

Стратегия оптимального управления уровнем грунтовых вод, обеспечивающая энергосбережение и эффективность вегетации растений мелиорированных земель сводится к следующему: ИС УГВ max, BC УГВ min и РР УГВ min, при t min и учитываются технологические ограничения.

При эксплуатации существующих ПС управление УГВ сводится к подбору оптимальной производительности насосных станций и их режимов работы. А при проектировании новых польдерных систем, кроме управления насосными станциями, осуществляется еще и подбор оптимальных значений геометрических параметров проводящих каналов, дрен, глубины их закладки и т.д. Методы и алгоритмы скалярной и векторной многокритериальной оптимизации выбирались из библиотеки математического обеспечения пакета прикладных программ MATHCAD.

Математическое моделирование проводилось на персональном компьютере Pentium IV – 1700 c использованием среды MAT HCAD, при этом программное обеспечение расчетов ПС разработано на структурно-блочном алгоритмическом языке данной системы.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждается сопоставительным анализом между уже существующими и разработанными математическими моделями и методами, а также итогами практического использования интегральной трехмерной нестационарной математической модели ПС и алгоритмов управления УГВ и РУКС в ОМ при эксплуатации существующих и проектировании новых польдерных систем.

Созданная научно-обоснованная интегральная трехмерная нестационарная математическая модель ПС и управления РУКС, базируется на положениях теории гидродинамических и фильтрационных течений жидкости, системного анализа конструкций и технологий польдерных систем, математической статистики, теории и практики управления и математического моделирования, сложных инженерно-технологических систем, численных методов решения нелинейных дифференциальных уравнений, теории направленных графов, методов теории оптимального управления.

Достоверность практических и теоретических разработок ИТНММ ПС и управления РУКС почвы ПС подтверждается результатами многочисленных численных экспериментов по расчету параметров СПОК и ПС в целом, а также оптимальному управлению УГВ и РУКС в ОМ и сравнения с их натурными значениями и характерными временами управления. Все разработанные алгоритмы численного решения дифференциальных уравнений тес тировались на многочисленных соответс твующих тестовых задачах.

На защиту выносятся результаты проведенных численных исследований по проектированию совершенных (оптимальных) конструкций ПС и эксплуатации существующих польдерных систем в штатных и нештатных ситуациях в режиме оптимального управления УГВ, выполненных на основе созданной научно-обоснованной интегральной трехмерной нестационарной математической модели ПС и управление РУКС почвы мелиорированных земель, построенной на единой методологии моделирования ПС, учитывающей водообмен на границе между сетью проводящих каналов и осушаемых массивов, а также принципы и методы разработки этой модели и стратегии управления УГВ и РУКС, в том числе:

- обоснованы и сформулированы функциональные ограничения параметров технологического процесса увлажнения корнеобитаемого слоя на основе учета факторов, дестабилизирующих вегетацию растений, а также компоненты вектора целевых функций, характеризующего качества ПС, стратегия оптимального управления уровнем грунтовых вод и РУКС, обеспечивающая энергосбережение и оптимальную эффективность вегетации рас тений, методология, состав и структура интегральной трехмерной нестационарной математической модели ПС и условия практического использования математического аппарата теории гидродинамических (фильтрационных) течений жидкости и капиллярного потенциала влагопереноса, позволяющего однозначно описывать трехмерное пространственно-временное распределение воды и влаги в сети проводящих открытых каналов и осушаемых массивах;

- разработка программного и информационного обеспечения научнообоснованной ИТНММ ПС и управления РУКС почвы мелиорированных земель, позволяющей решать конкретные задачи максимально возможного увеличения плодородия переувлажненных земель для каждого вида сельскохозяйственных культур. При этом проводится декомпозиция исходной постановки задачи моделирования ПС на подзадачи с последующим синтезом системы разрешающих дифференциальных уравнений, осуществляемым на ребрах направленного графа, с заданием граничных условий в вершинах графа;

- алгоритмы и программное обеспечение численного решения разрешающей системы дифференциальных уравнений Сен-Венана, описывающих динамику воды в СПОК, для которого автоматически выполняются законы сохранения потоков воды в точках ветвления проводящих каналов; реализация алгоритмов расчета СПОК и реальных польдерных систем, в том числе с учетом рельефа местности;

- результаты моделирования динамики УГВ и управления РУКС почвы ПС, основанные на двухмерном уравнении Буссинеска, дифференциальном уравнении переноса воды в дренажных трубах и трехмерном уравнении переноса капиллярного потенциала влаги, при задании естес твенных граничных условий: а) взаимодействия СПОК с ОМ; б) влагообмена между УГВ и корнеобитаемым слоем почвы;

- результаты разработки алгоритмов и программного обеспечения расчетов потоков влаги от грунтовых вод с учетом поверхностного испарения, транспирации растений и выпадающих атмосферных осадков, основанных на численном решении дифференциальных уравнений капиллярного потенциала и теплового баланса почвогрунтовой системы; решения вопросов математического моделирования сезонных потоков влаги от грунтовых вод с учетом поверхностного испарения и транспирации влаги;

- алгоритм расчета оптимальной вегетации сельскохозяйственных культур;

формирование целевой функции для потока влаги U(Н, h) и функциональных ограничения параметров, дестабилизирующих вегетацию растений; построение стратегии управления РУКС;

- реализация разработанных алгоритмических средств управления РУКС и УГВ с учетом технологических ограничений в виде программного комплекса;

реализация алгоритмов оптимального управления режимом грунтовых вод с учетом выпадающих атмосферных осадков;

- результаты разработки алгоритма расчета реальных польдерных систем, основанного на преобразовании параметров ПС, вычисленных в локальных системах координат, связанных с проводящими каналами, в общую систему координат ПС;

- результаты разработки алгоритмов повышенного порядка точности, численного решения дифференциальных уравнений необходимых для тес тирования и выверки применимости экономичных разностных схем первого порядка точнос ти, при проведении оптимизационных расчетов;

- разработка научно-технических рекомендаций по конструированию и эксплуатации польдерных систем в режиме оптимального управления уровнем грунтовых вод, обеспечивающих энергосбережение и высокую эффективнос ть вегетации растений.

Научная новизна полученных результатов определяется проведенными комплексными исследованиями, в результате которых вместо применения отдельных математических моделей, разработанных для индивидуальных вариантов расчетов параметров ПС, применена созданная научно-обоснованная ИТ НММ ПС и управления РУКС почвы мелиорированных земель, основанная на единой методологии моделирования ПС при задании естес твенных граничных условий: а) взаимодействия СПОК с ОМ; б) влагообмена между УГВ и корнеобитаемым слоем почвы. ИТНММ ПС обеспечивает сокращения время на решение конкретных задач моделирования и управления ПС при одновременном повышении качества полученных результатов (энергосбережение ресурсов, высокую эффективность вегетации сельскохозяйственных культур и минимизацию материальных и трудовых затрат при проектировании, строительстве и эксплуатации польдерных систем), в ходе которых:

- определен состав и структура задач, подлежащих решению при реализации ИТ НММ ПС и управления РУКС почвы мелиорированных земель, по схеме - УГВ Нор - U Umax, при t min и технологических ограничений;

разработана иерархическая структура ИТНММ ПС и управления УГВ и РУКС, основанная на применении математического аппарата теории гидродинамических (фильтрационных) течений жидкости и капиллярного потенциала влагопереноса, позволяющего однозначно описывать трехмерное пространственно-временное распределение воды и влаги;

- поставлена и решена задача создания научно-обоснованной интегральной трехмерной нестационарной математической модели ПС и управления РУКС почвы ОМ, путем управления уровнем грунтовых вод мелиорированных земель;

-построен новый эффективный алгоритм численного решения системы уравнений Сен-Венана вдоль ветвей направленного графа ПС, основанный на приведении к каноническому виду исходной системы дифференциальных уравнений, имеющих недивергентные члены, с учетом числа обхода каждого элемента СПОК и введении новых прогоночных соотношений, что в целом позволяет корректно задавать граничные условия, строить разностные схемы с учетом наклонов характерис тик, а также автоматически выполнять законы сохранения потока воды в точках ветвления проводящих каналов;

- решены вопросы моделирования параметров СПОК ПС и реальных польдерных систем, в том числе с учетом рельефа местности;

- разработана и реализована математическая модель УГВ и РУКС почвы ОМ, основанная на двухмерном уравнении Буссинеска, включая дифференциальные уравнения переноса воды в ДТ и капиллярного потенциала влаги, при задании естес твенных граничных условий взаимодействия СПОК и ОМ, а также между УГВ и корнеобитаемым слоем; разработан алгоритм расчета потоков влаги от грунтовых вод в зависимости от испарения с поверхности почвы, транспирации для растений и выпадающих осадков;

- разработаны и реализованы алгоритмы численного моделирования сезонных потоков влаги от грунтовых вод в зависимости от поверхнос тного испарения и транспирации;

- разработаны алгоритмы численного решения систем нелинейных одномерных и двухмерных дифференциальных уравнений в частных производных гиперболического и параболического типов; выполнен анализ результатов численных расчетов параметров польдерных систем;

- разработана и реализована стратегия оптимального управления УГВ, обеспечивающая энергосбережение и оптимальную эффективнос ть вегетации растений при РР УГВ; сформирован вектор целевых функций, характеризующий качества ПС, с компонентами: ИС УГВ, ВС УГВ и РР УГВ; разработаны функциональные ограничения параметров технологических процессов на основе учета факторов, нарушающих эффективный режим увлажнения в корнеобитаемом слое мелиорированных почв;

- выбраны и реализованы эффективные методы многокритериальной скалярной и векторной оптимизации;

- разработаны и реализованы алгоритмы оптимального управления режимом грунтовых вод с учетом выпадающих атмосферных осадков заданной интенсивности и длительности;

- разработаны научно-технические рекомендации по проектированию совершенных польдерных систем и их эксплуатации в режиме оптимального управления УГВ, обеспечивающие ресурсосбережение и высокую эффективность вегетации растений.

Практическая полезность исследования состоит в том, что в результате комплексных исследований на практике реализован математический аппарат теории гидродинамических и фильтрационных течений жидкости, а также капиллярного потенциала влагопереноса в зоне аэрации почвы, позволяющий однозначно описывать пространственно-временное распределение уровней и скоростей воды в СПОК, а также потоков влаги в ОМ, а с использованием разработанной стратегии управления УГВ устанавливать оптимальный РУКС почвы мелиорированных земель.

Применение ИТ НММ ПС и управления РУКС почвы, путем управления УГВ мелиорированных земель, основанной на единой методологии моделирования ПС, учитывающей влагообмен между СПОК и ОМ, позволяет резко сократить время на решение конкретных задач моделирования ПС при одновременном повышении качества полученных результатов. Построенная стратегия оптимального управления РУКС обеспечивает энергосбережение и высокую эффективность вегетации сельскохозяйственных культур мелиорированных земель. В целом, применение разработанной ИТНММ ПС и стратегии управления УГВ обеспечивает минимизацию материальных и трудовых затрат при проектировании, строительс тве и эксплуатации польдерных систем.

Полученные в работе методики и алгоритмы численных расчетов параметров СПОК ПС и реальных польдерных систем, в том числе с учетом рельефа местности, могут иметь самостоятельную практическую ценность, также как и разработанные алгоритмы численного решения системы уравнений Сен-Венана вдоль ветвей направленного графа ПС, автоматически учитывающие законы сохранения потока воды в проводящих каналах, основанные на приведении к каноническому виду исходной системы дифференциальных уравнений, имеющих недивергентные члены.

На основе модельных численных расчетов, проведенных по управлению РУКС почвы ОМ, выработаны научно-технические рекомендации по проектированию совершенных польдерных систем и их эксплуатации.

Реализация результатов работы. При непосредственном учас тии автора была разработана и реализована ИТ НММ ПС и управление РУКС почвы мелиорированных земель по схеме - УГВ Нор - U Umax, при t min и технологических ограничений, построенная на положениях теории гидродинамических и фильтрационных течений жидкости, системного анализа конструкций и технологий польдерных систем, математической статис тики, теории и практики управления и математического моделирования, сложных инженерно-технологических систем и реализованная на основе численных методов решения нелинейных дифференциальных уравнений, теории направленных графов, методов теории оптимального управления. Созданные комплексы алгоритмов, программ, технических рекомендаций по конструированию и эксплуатации польдерных систем используются при выполнении проектных работ по гранту РФФИ РАН № 06-01- «Оптимизация управления мелиоративными системами на основе математических моделей» (руководитель проекта - Бобарыкин Н.Д., сроки разработки 2006-2008г.г.), в АО «Калининградоблмелиорация», в ходе выполнения госбюджетной НИР в КГТУ по теме: «Инвариантные методы расчета технологических процессов», а также в учебном процессе по дисциплинам: «Математическое моделирование на ПЭВМ», «Компьютерные технологии» и «Информатика».

Вся работа в целом, а также ее отдельные части могут быть использованы предприятиями агропромышленного комплекса и организациями, эксплуатирующими и разрабатывающими сети нефтегазопроводов с перекачивающими агрегатами и насосными станциями, сетями водоканалов и т.д.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы на различных этапах ее выполнения докладывались и обсуждались на международных и межведомственных конференциях и совещаниях, в частности:

«Физике ионосферы» (Москва, 1975 г.), Межведомственного семинара по моделированию ионосферы (Тбилиси, 1980), Правлении Государственного газового концерна «Газпром» (Москва, 1990г.), Межотраслевой конференции «Творческий вклад молодежи в дело перестройки» (Москва, 1990 г.), объединенных семинарах Московского НПО «Нефтегазавтоматика» и МИНГ им. И.М. Губкина (1990г.), МХТИ им. Д.И. Менделеева (Москва, 1991г.), Материалы международного симпозиума «Новые технологии в нейрохирургии» (Санкт-Петербург, ВМА, 2004г.), Международной научной конференции, приуроченной к 200-летию со дня рождения великого немецкого математика Карла Густава Якоби и 750-летию со дня основания г.

Калининграда (Кенигсберга) (Калининград, КГУ, 2005г.), Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании – 2005г.», Калининград, КГТУ, Институте математического моделировании РАН (Москва, 2005г.), Расширенном научно-техническом совете ОАО «Белгорхимпром» с участием Института математики НАН Беларуси, Белгосуниверситета, БелАН, Института проблем использования природных ресурсов и экологии НАН Беларуси, Белорусского НИИ геологоразведочного института (Минск, 2006г.), Институте математического моделировании РАН (Москва, 2007г.), Международной научной конференции: «Российская наука и инженерная деятельность в социокультурном пространстве эксклавного региона: история, актуальные проблемы, перспективы развития», г. Калининград, КГТУ, 2007, и др.

Публикации. Основные научные результаты по теме диссертационной работы опубликованы в 46 печатной работе, в том числе: 1 монография (научное издание, 168с., 2004 г.). Автор имеет 18 научных трудов в изданиях, выпускаемых в РФ и рекомендуемых ВАКом для публикации основных результатов диссертации на соискание ученой степени доктора наук.

Структура диссертационной работы определяется общим замыслом и логикой проведения исследований.

Диссертация содержит введение, 7 глав, заключение и приложения, изложенные на 310 страницах компьютерного текста. В работу включены рис., 6 табл., список литературы из 232 наименований и приложение, в котором представлены акты об использовании результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы, формулировку цели и задач работы, основные положения, выносимые на защиту, и определяет содержание и методы выполнения работы. Изложены полученные автором основные результаты проведенных исследований, показана их научная новизна и практическая значимость.

В первой главе дан сравнительный анализ, различных математических методов поэлементного расчета параметров польдерных систем, который позволил выявить и систематизировать основные недостатки существующих моделей ПС и сформулировать задачи исследований. Обоснована актуальность разработки современных методов повышения плодородия переувлажненных и заболоченных земель на основе системы оптимального управления УГВ и, соответственно, РУКС почвы.

Отмечается, что метод водного баланса ограничивается необходимостью проведения комплексных экспериментальных исследований элементов водного баланса (уровни грунтовых вод, сток, влагозапасы и др.) переувлажненных земель, а также их водно-физических свойств. Также недостатком метода водного баланса является сложность оценки изменения экстремальных величин уровней и расходов влаги, что делает этот метод малопригодным для управления водным режимом польдерных систем.

Математическое моделирование мелиоративных систем, базирующееся на гидродинамических дифференциальных уравнениях, также имеют два основных недос татка. Во-первых, обособленность процессов переноса воды в проводящей сети открытых каналов и осушаемых земельных массивах друг от друга, и, соответс твенно, невозможности увязки такого фрагментарного моделирования отдельных процессов в единую математическую модель. Вовторых, отсутствие системного подхода при моделировании польдерных систем, т.е. инвариантных алгоритмов, позволяющих проводить расчеты независимо от конфигурации ПС и числа проводящих каналов. Особенно, это сказывается для средних и больших мелиоративных систем, где число и изменчивость параметров, определяющих эти системы, резко возрастает.

Таким образом, постановка задачи математического моделирования и управления мелиоративными системами должна основываться на единой методологии и системном подходе и требует дальнейшего усовершенствования, в частности учета взаимодействия осушаемого массива со стоком каналов и рек, и должны быть направлены на создание высокоэффективных энергосберегающих технологий, обеспечивающих оптимальный РУКС почвы.

Во второй главе приведены численные методы решения обыкновенных, параболических и гиперболических дифференциальных уравнений, что обусловлено необходимостью выбора, а в ряде случаев - разработки методов численного решения системы дифференциальных уравнений, на которой строится интегральная трехмерная инвариантная математическая модель польдерных систем. Также, изучены вопросы корректной постановки граничных условий и повышения порядка точности аппроксимаций дифференциальных уравнений гиперболического и параболического типа, путем введения полуцелых временных слоев, с целью оценки применимости экономичных разнос тных схем, например, схем бегущего счета, имеющих первый порядок точности аппроксимаций производных.

В табл. 1 приведены основные конструкции разностных схем, как первого, так и второго порядка точнос ти, а так же канонический вид системы гиперболических уравнений, полученной по методике предложенной автором диссертации (см. подраздел 2.1.3). При этом численное решение канонической системы уравнений определяется во всех точках характеристического треугольника, а краевые условия для первого уравнения системы задаются на левой, а для второго уравнения на правой границе.

Показано, что погрешность численного решения гиперболических скалярных уравнений при увеличении временного шага возрастает по разностным схемам, имеющих первый и второй порядка точности, и при = 1200 с не превышает 5%, а систем гиперболических уравнений не превышает 6.5%, что может оправдывать применения раз ностных схем первого порядка точности при численном решении дифференциальных уравнений гиперболического типа в частных производных.

Применимость таких разностных схем, особенно актуально с точки зрения экономии машинного времени на решение задач управления УГВ, реализуемых на основе оптимизационных решений при большом массиве значений варьируемых параметров.

В третьей главе представлен состав и структура интегральной трехмерной нестационарной математической модели ПС и управления УГВ и РУКС почвы мелиорированных земель базирующей на наличие для польдерных систем двух взаимодействующих контуров – сети проводящих открытых каналов и прелагающей к ней системы осушаемых земельных массивов.

Разностные схемы решения параболических и гиперболических уравнений Разностная схема бегущего счета первого порядка точнос ти 0(+h) Разностная схема бегущего счета первого порядка точнос ти 0(+h) При построении ИТНММ ПС используются методы теории оптимального управления, системного анализа конструкций и технологий польдерных систем, математической статистики, теории и практики математического моделирование сложных инженерно-технологических систем, численные методы решения нелинейных дифференциальных уравнений гидродинамики и теории фильтрации жидкостей через пористые структуры, решение оптимизационных многокритериальных задач, теория направленных графов.

Формализованное математическое описание объекта. Для декомпозиции задачи моделирования польдерных систем вводится элементная база в виде множества включающего подмножества: М1 – насосных станций (в том числе и регулируемых); М2 - линейных каналов и прилегающих к ним осушаемых массивов; М3 – множество точек ветвления проводящих каналов; М4 – множество элементов, оснащенных измерительной аппаратурой; М5 = М51 М52 ;

М51 – точки входа (атмосферные осадки, испарения, паводки и др.); М52 – точки выхода (УГВ, РУКС). На элементную базу накладывается структура направленного графа Г, соответствующая расчетной схеме ПС. Элементы множества М2 являются ребрами направленного графа Г, а элементы множеств М1 и М3 – его вершинами. Все вершины перенумеруем. Каждому ребру поставим в соответствие картет (четыре числа и тройка) где a, L, S – ширина, длина, площадь сечения канала; Kf – коэффициент фильтрации почвы; in, ik- номера вершин соответс твующих началу и концу ребра; N – номер ребра между этими вершинами. Соответствие (1) является изоморфизмом, т.е. для любого mn+1 in+1 соответствует только один cor и наоборот. Таким образом, каждой расчетной схеме ПС соответствует только один граф Г и наоборот.

Каждому элементу ПС mk Mk, где k 1,2,…,n поставим в соответствие вектор состояний Fk ik = (hk ik, uk ik, Hk ik, Uk ik, Lk ik), hk ik, uk ik - уровень и скорость воды в канале; Hk ik - уровень грунтовых вод; Uk ik – поток влаги в зоне аэрации почвы; Lk ik – принимает значение 0 при нарушении технологических ограничений и 1 в противном случае. Параметры h, u, H, U для каждого базового элемента ПС могут быть разными, однако они не являются независимыми и связаны между собой уравнениями связи (математические модели базисных элементов ПС) Математическое описание объекта также является формализованным описанием информационной базы данных программных комплексов моделирующих ПС. Сформулируем общую математическую постановку задачи моделирования технологического процесса и управления ПС на период времени t 0, ty]. Формализованная пос тановка состоит в следующем.

Информационное обеспечение расчетов ПС содержит:

- информацию о конфигурации объекта (т.е. cor для любого mk kikГ), M состояние насосных станций при t=t0 и при t=tr (регламентные по времени изменения состояний) (m1 i1 M1 t 0 =[t0, tr ]);

- информацию о предыстории процесса (т.е. фактические данные в дискретные моменты времени для идентификации параметров математических моделей, например, S, Kf ) [(h, u, H*, U,,)( m4 i4 M4 )], Q ( m1 i1 M1 Г), здесь звездочкой обозначены фактические значения параметров; Q - параметры управления насосной станцией; - параметры внешней среды;

- для статистического прогноза входных (выходных) параметров необходимо иметь фактические данные по более глубокой ретроспективе (или моделирующие их графики)(h, u, H*, U,,)( m5 i5 M5Г; t-j; jJ1 );

- кроме того, необходимо знать плановые показатели на выходе - информацию о состоянии технологического процесса (нарушение технологических ограничений) при По информационному обеспечению идентифицируется конфигурация ПС при t = t0, определяется начальное состояние параметров и элементов, состояние технологического процесса (включая аварийное), дается прогноз параметров входа-выхода на период управления t 0, ty]. [t Пусть F = {F kik} все возможные вектора состояний элементов ПС.

Требуется найти час тное подмножес тво (режим работы ПС) F 0 F для t 0, ty], чтобы выполнялись следующие условия:

отклонения от плановых показателей должно быть минимальным; если режимные параметры находятся за пределами технологических ограничений, то время выхода на нормальный режим работы ПС должно быть минимальным;

параметры режима должны удовлетворять уравнениям связи, т.е. k ik(hkik, ukik, Hkik, Ukik) = 0 для t 0, ty]; расчетные параметры должны адекватно отражать реальный процесс, т.е. для любого t [t0, ty] должен достигаться минимум суммы квадратичных отклонений расчетных значений от фактических (отсюда следует задача идентификации параметров модели ПС); должны выполняться условия качества, т.е. технологические параметры не должны выходить за пределы ограничений.

Выбор оптимального режима F 0 F, t 0, ty] проводится на множес тве управлений {Q}(mn in MnГ) с соблюдением условия минимума энергозатрат.

Сложность поставленной задачи моделирования и управления ПС заключается в том, что польдерные системы, состоящие из сети большого числа проводящих каналов и взаимодействующих с ними ОМ, имеющих разнообразные структуры, обусловлена необходимостью использования наукоемких технологий системного подхода к математическому моделированию и управлению ПС, включающего семантическую модель технологического процесса, декомпозицию польдерной системы на элементную базу на основе анализа ее конфигурации, теорию графа объекта, синтез разрешающей системы дифференциальных уравнений, методы интегрирования

ПОЛЬДЕРНАЯ СИСТЕМА

Расчет оптимальной вегетации сельскохозяйственных культур Стратегия управления РУКС Разработка методов расчета - поток влаги U(Н, h)Umax; -целевой функции для потока U - функциональные ограничения. -увлажнения корнеобитаемого Определяется положения УГВ Нор слоя почвы h от УГВ Критерий управления уровнем грунтовых вод УГВ Нор, при t min испарения и транспирации влаги Стратегия управления УГВ ИС УГВ max;

Разработка методов расчета Разработка алгоритма решения УГВ на основе двумерного двумерного уравнения Буссинеска уравнения Буссинеска и и уравнения переноса воды в ДТ уравнения переноса воды в ДТ при водообмене СПОК и ОМ Разработка методов расчета Разработка алгоритма решения уровневого режима воды СПОК системы уравнений Сен-Венана, Разработка алгоритма интерпретатора, Разработка алгоритма полученных результатов расчетов ПС, декомпозиции ПС на преобразующего их из ЛСК в ОСК ПС 11 элементную базу Рис. 1. Состав и структура задач, подлежащих решению при реализации интегральной трехмерной нестационарной математической модели ПС и управления УГВ и режимом увлажнения корнеобитаемого слоя почвы моделирующей системы дифференциальных уравнений вдоль ветвей обхода графа ПС, стратегию оптимального управления УГВ и РУКС, синтез вектора многокритериальной оптимизации и интерпретатор полученных результатов.

На рис. 1 представлен состав и структура задач подлежащих решению на стадии реализации ИТ НММ ПС и управления РУКС почвы. В состав задач входит двенадцать задач подлежащих решению, а структура задач содержит два контура управления – управления режимом увлажнения корнеобитаемым слоем почвы (блок 1) и управления УГВ (блок 5), связанных критерием управления уровнем грунтовых вод УГВ Нор, при t min.

Остальные задачи направлены на разработку интегральной трехмерной нестационарной математической модели ПС, состав и структура которой приведена на рис.2. При математическом моделировании польдерные системы представляются в виде множеств пассивных, активных элементов и точек соединений проводящих каналов, на которые накладывается структура направленного графа, соответствующая расчетной схеме ПС. Каждый элемент множеств получает свое математическое описание в рамках теории гидродинамики течений (фильтрации) жидкости. Синтез разрешающей системы моделирующих уравнений, описывающих динамику воды в сети проводящих открытых каналов с соответствующими начальными условиями, осуществляется на ребрах, а формирование граничных условий, выражающих законы сохранения расхода воды, в вершинах графа ПС, которые являются условиями «сшивания» системы моделирующих уравнений вдоль ветвей обхода графа ПС. Производительность активных элементов – насосных станций, при их наличии в ветвях графа ПС, используются в качестве соответс твующих граничных условий. Моделирование режима УГВ и РУКС в ОМ, прилегающих к сети проводящих открытых каналов, основывается на численном решение двухмерного уравнения Буссинеска и уравнения для капиллярного потенциала и задании ес тественных граничных условий взаимодействия СПОК и ОМ. При наличии дренажных систем к указанной системе дифференциальных уравнений подключается и дифференциальное уравнение переноса воды в дренажных трубах.

Таким образом, задача моделирования режима увлажнения корнеобитаемого слоя в ОМ сводится к решению трехмерной нестационарной задачи, в которой пространственно - временное распределение УГВ вычисляются в горизонтальной, а потоков влаги - в вертикальных плоскостях.

Состав и иерархическая структура интегральной трехмерной нестационарной математической модели ПС и управления РУКС, соответс твующая решаемым задачам на с тадии реализации этой модели, приведена на рис. 2.

Синтез разрешающей системы уравнений удобно проводить на основе описаний отдельных каналов, входящих в каждый контур обхода графа ПС.

Условием «сшивания» уравнений в точках соединения каналов (точка 2 на рис.

3), должно являться условие сохранения потока Q прихода и расхода воды в этих узлах.

ПОЛЬДЕРНАЯ СИСТЕМА

ДЕКОМПОЗИЦИЯ ПОЛЬДЕРНОЙ СИСТЕМЫ НА ЭЛЕМЕНТНУЮ БАЗУ

НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА КОНФИГУРАЦИИ ПС

РАСЧЕТ ЧИСЛА КОНТУРОВ ОБХОДА ГРАФА ПС

СОСТАВ L-ГО КОНТУРА ОБХОДА ГРАФА ПС

Открытые каналы с Открытые каналы с Открытые каналы с номе рами, для L=1 номе рами, для L= i номе рами, для L= K

СИНТЕЗ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ

Венана для каналов вдоль контуров уравнения для осушаемого массива (уравнение Буссинеска) ального уравнения для описания расна концах каналхода воды в дренах ального уравнения для капиллярного уровне грунтовых

СТРАТЕГИЯ О ПТИМАЛЬНО ГО УПРАВЛЕНИЯ УГВ И РУКС

СИНТЕЗ ВЕКТО РА ЦЕЛЕВО Й ФУНКЦИИ И

ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ О ГРАНИЧЕНИЙ

МЕТО ДЫ И АЛГО РИТМЫ О ПТИМИЗАЦИИ

Рис. 2. Иерархическая структура интегральной трехмерной нестационарной математической модели ПС и управления УГВ и РУКС Совокупная система уравнений интегрируется вдоль контуров обхода, а граничные условия задаются в виде расхода (прихода) воды естес твенным образом. Интегрирование вдоль контуров обходов циклов графа ПС проводится только для решения уравнений Сен-Венана, описывающих уровневый режим в каналах, в то время как остальные дифференциальные уравнения интегрируются с привязкой к каждому открытому каналу.

Рис. 3. Расчетная схема ПС, состоящая из четырех проводящих каналов 1 - ЫЙ КОНТУР ОБХОДА ГРАФА СОСТОИТ ИЗ ДУГ: 1, 2 - ОЙ КОНТУР ОБХОДА ГРАФА СОСТОИТ ИЗ ДУГ: 1, 3 - ИЙ КОНТУР ОБХОДА ГРАФА СОСТОИТ ИЗ ДУГ: 1, Уровни и скорости движения воды в проводящих открытых каналах описываются нес тационарной системой нелинейных уравнений Сен-Венана в частных производных гиперболического типа:

где h, u -уровень и скорость движения воды в канале, м и м/с; uq - скорость бокового притока, м/с; q - боковой приток, м /с; g - ускорение свободного падения, м/с ; J0 - продольный угол наклона дна: Jf - уклон трения; Q - расход воды в канале, м /с; F - площадь живого сечения, м.

Уровень грунтовых вод описывается нестационарным двумерным уравнением Буссинеска в частных производных параболического типа:

где Н - уровень грунтовых вод, м; - коэффициент водоотдачи; Kf – коэффициент фильтрации, м/с; - функция источника (стока) влаги, м/с.

Динамика движения воды в дренах описывается дифференциальным уравнением в частных производных гиперболического типа следующего вида:

где Qдр – расход воды в дренах, м3/с;, d – площадь сечения и диаметр ДТ, м и м; Н0 – начальное значение УГВ, м; р – глубина закладки ДТ, м; – коэффициент гидравлического сопротивления.

Качество польдерных систем определяется интенсивностью снижения и равномерностью распределения уровня грунтовых вод в осушаемом массиве.

Факторы, влияющие на интенсивнос ть равномерного снижения уровня грунтовых вод R, могут быть описаны следующей многомерной функцией:

Время, необходимое для снижения уровня грунтовых вод до интервала определенных значений, необходимого для вегетации рас тений с учетом функционала (6), определяется как:

На все параметры, входящие в функциональные зависимости (8) – (9), накладываются функциональные ограничений параметров технологического процесса на основе учета факторов, дестабилизирующих эффективный режим увлажнения в корнеобитаемом слое мелиорированных почв.

Таким образом, в рамках интегральной трехмерной нестационарной математической модели ПС и управления РУКС система дифференциальных уравнений в частных производных (5) - (7) описывает пространственно временные распределения уровня воды в СПОК и УГВ в горизонтальных плоскостях.

К этой системе уравнений необходимо добавить дифференциальное уравнение капиллярного переноса потенциала влаги F в вертикальной плоскости, учитывающего транспирацию воды корневой системой растений G:

влагопроводности почвы вдоль горизонтальной координатной плоскости x, y и вертикальной координатной оси z, м2 /с; F – капиллярный потенциал почвенной влаги, м /с ; z –вертикальная координатная ось с началом координат на поверхности грунтовых вод и направлена вверх; = 0.02G – коэффициент скорости потери влаги в почве за счет транспирации воды корневой системой растений G.

Алгоритм численного решения трехмерных дифференциальных уравнений параболического типа является весьма трудоемким по затратам машинного времени. Однако, стратегия управления уровнем грунтовых вод, направленная на установление равномерного распределения УГВ в горизонтальной координатной плоскости Х, У, позволяет не учитывать горизонтальные переносы влаги от поверхнос ти грунтовых вод, вызванные практически нулевыми горизонтальные градиентами влажности почвы.

Указанное благоприятное обстоятельс тво РР УГВ, позволяет рассчитывать только вертикальный перенос капиллярного потенциала влаги от поверхности грунтовых вод, описываемый одномерным дифференциальным уравнением:

Начальные условия. В начальный момент времени при t0 =0 для системы нестационарных уравнений в частных производных (5) – (7) и (11) начальные условия задаются в виде:

В качес тве начальных условий для функции капиллярного потенциала влаги F, описывающего уравнением (11), задавалась линейная функция таким образом, что на поверхности почвы (z = H) F = 0, а на поверхнос ти грунтовых вод (z = 0), значение функции F соответствовало значению потока влаги Umax.

Граничные условия. Для системы уравнений Сен-Венана (5), описывающих уровневый режим в СПОК на концах контуров ПС, задаются значения расхода воды QH (t) = QН, равные производительности насосов QН, если насосы (насос) отсутствуют, то ес тественно, QH (t) = 0.

Граничные условия для дифференциального уравнения Буссинеска (6), описывающего уровневый режим грунтовых вод, задаются для каждого канала на четырех сторонах прямоугольника осушаемого массива, прилегающего к данному каналу, следующем образом:

где L1 – длина открытого канала и осушаемого массива, м; L2 - ширина осушаемого массива, м; LHK-дополнительное фильтрационное сопротивление на контуре взаимодействия руслового потока с грунтовым потоком, м.

Для дифференциального уравнения (10), определяющего расход воды в дренах, краевые условия задаются только на левой границе для каждого ОМ в виде (см. подпункт 5.2.1), при УГВ выше уровня воды в проводящих каналах (процесс осушения мелиорированых земель) H у =0 h 0:

На поверхности почвы (z = H) граничное условие для капиллярного потенциала влаги F, задавалось в зависимости от значения потока суммарного испарения E и интенсивности осадков X. В данных расчетах поток Е принимался равным нулю и значение производной капиллярного потенциала влаги F по координате z, через поток влаги U определялся следующем образом:

где Е- поток суммарного испарения, м3 /с; Х - поток атмосферных осадков, м /с.

Выражение для вычисления значения капиллярного потенциала влаги на поверхности грунтовых вод (z = 0) через час тную производную | определяется как Таким образом, приведенная выше система нелинейных одномерных и двумерных уравнений в частных производных, совместно с начальными и граничными условиями, представляет собой замкнутую систему моделирующих уравнений, позволяющих рассчитывать параметры ПС.

Интерпретатор полученных результатов. Так, как интегрирование моделирующей системы дифференциальных уравнений проводится в локальных системах координат zl (ЛСК l-го канала), в которых ось хl направлена вдоль проводящего канала, то при анализе численных результатов расчетов, необходимо значения рассчитанных параметров представлять в общей системе координат. Вектор преобразований координат zl из ЛСК в общую систему координат Z i (ОСК) имеет вид:

где Z0l – вектор координат начала l-го проводящего канала в ОСК; C(l )матрица направляющих косинусов; DLl -вектор длин l-го проводящего канала в ЛСК; l = 0, …, k; k - число проводящих каналов ПС.

Вектор преобразования координат (19) в матричной форме записывается следующим образом:

где dl - длина l-го проводящего канала в ЛСК.

Таким образом, алгоритм вектора преобразований координат zl ОМ и проводящих каналов из ЛСК в общую систему координат Z l (ОСК), полностью определен соотношениями (18) - (19), а, следовательно, все искомые функции, вычисленные в узлах разностной сетки осушаемого массива, могут быть интерпретированы в ОСК.

В четвертой главе решена составная час ть задачи моделирования и управления ПС - задача моделирования параметров сетей проводящих каналов, в том числе и с учетом рельефа местнос ти реальных ПС. Приведен разработанный эффективный алгоритм численного решения системы уравнений Сен-Венана вдоль ветвей направленного графа ПС, основанный на приведении к каноническому виду исходной системы уравнений, имеющих недивергентные члены, с учетом числа обхода каждого элемента СПОК и введении новых прогоночных соотношений, что в целом позволяет корректно задавать граничные условия, строить разнос тные схемы с учетом характеристик, а также автоматически учитывать законы сохранения потока воды в СПОК ПС.

Численное решение системы уравнений Сен-Венана, имеющих недивергентные члены, не может быть непосредственно построено из-за двух проблем. Запишем систему уравнений Сен-Венана (8) в следующей форме:

Первая проблема, связанная с недивергентным видом уравнений СенВенана и задания граничных условий в зависимости от наклонов характерис тик решается сравнительно прос то. Сис тема дифференциальных уравнений (20), с помощью некоторых преобразований, приводится к каноническому виду (см.

подраздел 2.1.3):

При реалистическом предположении u c уравнения (21) имеют два семейства характерис тик - с положительным тангенсом угла наклона характеристик (первое уравнение dx/dt = u + c 0) и с отрицательным (второе уравнение dx/dt = u - c 0) и, следовательно, для первого уравнения характеристики приходят на правую границу, а для второго уравнения - на левую границу, а соответс твенно, численное решение определяется во всех точках характеристического треугольника, образованного характерис тиками.

Вторая проблема, связанная с выполнением закона сохранения потоков в узлах расчетной схемы ПС, значительно сложней первой, рассмотренной выше.

Оказалось необходимым изменить общепринятый алгоритм численного решения этой системы уравнений, основанный на методе матричной прогонки.

Это связано с необходимос тью выполнения равенс тва входящих и выходящих из узлов потоков Q (закон сохранения потока в узлах проводящей сети), которое обеспечивается путем подсчета числа обхода каждого открытого канала и пос тулирования формулы, определяющей значения скорости движения воды в канале и некоторых других концепций. Рассмотрим более подробно такой алгоритм численного решения уравнений Сен-Венана, основанный на разностных схемах бегущего счета:

где Nх и K – число пространственных узлов по оси Х и временных слоев на разностной сетке;, h – шаги интегрирования по времени t и оси Х.

Система разностных уравнений (22) записывается в явном трехточечном виде, следующем образом:

Вектор искомых функций Тi j+1 определяется следующим рекуррентным соотношением:

Прогоночная матрица Ei и вектор Wi определяются в прямой прогонке (индекс i возрастает) по следующим формулам:

Обратная матрица ( Bi Ci Ei ) 1 в формулах (25) имеет вид:

D21i = B21i ; D22i =B22i ; D11i =B11i - (C11i E11i + C12i E21i);

Компоненты матрицы прогоночных коэффициентов Еi+1 определяются как:

а компоненты вектора прогоночных векторов Wi+1 :

Для начала расчета прогоночных коэффициентов (25) необходимо задать их начальные значения в точке i = 0 с учетом наклона характеристик системы уравнений (21) и значений расхода воды на левой границе контура обхода графа ПС (для случая, когда в начале контура обхода установлена насосная станция). Так как на левую границу контура обхода ПС приходят характеристики второго уравнения, что следует из записанных в каноническом виде уравнений (21), то к граничному условию присоединяется это уравнение, и система разрешаемых уравнений на левой границе имеет вид:

A210 F1,j+1 +A220 u1,j+1 – B210 F0,j+1 – B220 u0,j+1 = F20.

Или в векторном виде:

Рекуррентное соотношение (24) для точки i = 0 в векторной форме записывается в следующем виде:

Умножая слева соотношение (28) на обратную матрицу В0 и сравнивая полученное выражение с формулой (26), определяем начальные значения прогоночных коэффициентов E1 и W1 :

Искомые функции Fi,j+1,ui,j+1 в узлах разностной сетки рассчитываются обратной прогонкой (индекс i - уменьшается) на основе скалярных выражений:



Pages:   || 2 |
 




Похожие работы:

«УДК 634.42:631.445.124 (043.8) Инишева Л.И. Почвенно-экологическое обоснование комплексных мелиораций. – Томск: Изд-во Том. Ун-та, 1992, - 270с.300 экз. 3804000000 В монографии представлен подход к мелиоративному проектированию комплексных мелиораций с позиции генетического почвоведения. На примере пойменных почв южнотаежной подзоны в пределах Томской области рассматриваются преимущества данного подхода в мелиорации. Проведенные исследования на 4 экспериментальных мелиоративных системах в...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИКИ, СТАТИСТИКИ И ИНФОРМАТИКИ (МЭСИ) Всероссийская студенческая олимпиада по направлению Статистика и специальности Математические методы в экономике Сборник научных трудов Москва, 2011 УДК 311.3/.4 С – 235 Всероссийская студенческая олимпиада по направлению Статистика и специальности Математические методы в экономике. Сборник научных трудов // М. – МЭСИ. – 2011 г. РЕЦЕНЗЕНТЫ: д.э.н., проф. Карманов М.В., к.э.н.,...»

«1 Министерство образования и науки Российской Федерации Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова (СЛИ) Кафедра Электрификация и механизация сельского хозяйства Системы автоматизированного проектирования Учебно-методический комплекс дисциплины для студентов специальностей 190601 Автомобили и автомобильное...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С. М. Кирова (СЛИ) Кафедра электрификации и механизации сельского хозяйства ТРАКТОРЫ И АВТОМОБИЛИ С ОСНОВАМИ ТЕХНИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ Учебно-методический комплекс по дисциплине для студентов направления бакалавриата 250100 Лесное дело...»

«СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ З АПАСАМИ Методические указания к практическим занятиям по дисциплине Логистика Минск 2009 УДК 164(075.8) Методические указания к практическому занятию на тему: Системы управления запасами. Методические указания содержат теоретические основы систем управления запасами, а также пример по их практической реализации. Составители: к. э. н., доцент Дроздов П.А. ст. преподаватель Морозов И.М. Рецензенты: зав. сектором агросервиса Института системных исследований в АПК НАН Беларуси,...»

«Российская Академия Наук Институт философии ВЕЧНОЕ И ПРЕХОДЯЩЕЕ В КУЛЬТУРНОМ НАСЛЕДИИ РОССИИ Москва 2010 УДК 300.36 ББК 15.56 В 39 Рукопись подготовлена в рамках Программы фундаментальных исследований Президиума РАН Историко-культурное наследие и духовные ценности России, раздел 7 Философское осмысление историко-культурного наследия Ответственный редактор доктор филос. наук С.А. Никольский Рецензенты доктор филос. наук Е.Н. Ивахненко доктор филос. наук В.Г. Федотова Вечное и преходящее в...»

«УДК 330.31 КАПУСТЯН ЛАРИСА АНАТОЛЬЕВНА ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ТЕРРИТОРИАЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ МЕСТНОГО САМОУПРАВЛЕНИЯ (НА ПРИМЕРЕ СЕЛЬСКИХ ПОСЕЛЕНИЙ АЛТАЙСКОГО КРАЯ) 08.00.05 – экономика и управление народным хозяйством (региональная экономика) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата экономических наук Барнаул 2007 Работа выполнена на кафедре региональной экономики и управления ГОУ ВПО Алтайский государственный университет Научный руководитель...»

«Книгообеспеченность кафедры Кафедра Ботаники Зав.кафедрой Лебедев Владимир Павлович Кол-во № Литература Специальность книг 1 Биогеоценология (М) (020400.68) (2-3) Основная литература 1 Шилов, И. А. 2040068(Биологи 29 Экология : Учеб. для студ. биол. и мед. спец. вузов : я (020400.68)) рекомендовано МО РФ / И. А. Шилов. - 2-е изд., испр. - М. : Высш. шк., 2000. - 512 с. : ил. - Библиогр.: с. 498-510. - ISBN 5-06-003730Валова, Валентина Дмитриевна (Копылова). 2040068(Биологи Экология : [учебник...»

«РЕСПУБЛИКАНСКОЕ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЕ ДОЧЕРНЕЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ИНСТИТУТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ВЕТЕРИНАРИИ ИМЕНИ С.Н. ВЫШЕЛЕССКОГО УДК 619:616.995:636.2 СУББОТИНА ИРИНА АНАТОЛЬЕВНА НЕОАСКАРИОЗ КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА ( биология возбудителя, паразито-хозяинные отношения, меры борьбы) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата ветеринарных наук по специальности 03.02.11 - паразитология Минск, 2010 Работа выполнена в УО Витебская ордена Знак Почета государственная академия...»

«М. И. Смирнов ЭТНОГРАФИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ПЕРЕСЛАВЛЬ-ЗАЛЕССКОМУ УЕЗДУ, ВЛАДИМИРСКОЙ ГУБЕРНИИ. СВАДЕБНЫЕ ОБРЯДЫ И ПЕСНИ, ПЕСНИ КРУГОВЫЕ И ПРОХОДНЫЕ, ЛЕГЕНДЫ ИГРЫ. И СКАЗКИ Москва 2008 ББК 82.3(2Рос-4Яр)-6 С 50 Издание подготовлено ПКИ — Переславской Краеведческой Инициативой. Редактор А. Ю. Фоменко. Печатается по: Смирнов, М. И. Этнографические материалы по Переславль-Залесскому уезду, Владимирской губернии. Свадебные обряды и песни, песни круговые и проходные, игры. Легенды и сказки / М. И....»

«НАРБАЕВА КАРАКОЗ ТУРСЫНБЕКОВНА Научное обоснование определения гидролого-водохозяйственных параметров водохранилищ комплексного назначения (на примере Капшагайского водохранилища на реке Иле) 6D080500 – Водные ресурсы и водопользование Диссертация на соискание ученой степени доктора философии (РhD) Научные консультанты: д.г.н., проф. Заурбек А.К. д.т.н., проф. Ауланбергенов А.А. Prof. Dr. ir. Patrick Van Damme...»

«УО Витебская ордена Знак Почета государственная академия ветеринарной медицины Кафедра химии БИОХИМИЯ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ: [электронный ресурс] Котович Игорь Викторович, Елисейкин Дмитрий Владимирович Биохимия гетероциклических соединений: учеб.-метод. пособие К 73 / И.В. Котович, Д.В. Елисейкин. – Витебск: УО ВГАВМ, 2006. – 50 с. Витебск УО ВГАВМ 2006 © Котович И.В., Елисейкин Д.В., 2006 © УО Витебская ордена Знак Почета государственная академия ветеринарной медицины, МИНИСТЕРСТВО...»

«Министерство образования и наук и Российской Федерации Комитет образования и науки Курской области Курский государственный университет Воронежский государственный педагогический университет Курская государственная сельскохозяйственная академия Белорусский государственный педагогический университет имени Максима Танка (Беларусь) Минский государственный лингвистический университет (Беларусь) Полтавский национальный педагогический университет им. В.Г. Короленко (Украина) Кокшетауский университет...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНСТИТУТ УПРАВЛЕНИЯ, ИНФОРМАЦИИ И БИЗНЕСА С.И. КВАШНИНА, Н.А. ФЕДОТОВА ОСНОВЫ БИОЛОГИИ И ЭКОЛОГИИ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ДНЕВНОЙ И ЗАОЧНОЙ ФОРМ ОБУЧЕНИЯ Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по высшему образованию в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению 013400 Природопользование дневного и заочного отделений Ухта 2003 УДК: 57 (075.8) ББК: 28я7 К Квашнина С.И., Федотова Н.А....»

«Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЛЕСА МЕЖДУНАРОДНЫЙ ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОГО СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА Д.Г. Щепащенко, А.З. Швиденко, В.С. Шалаев БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОДУКТИВНОСТЬ И БЮДЖЕТ УГЛЕРОДА ЛИСТВЕННИЧНЫХ ЛЕСОВ СЕВЕРО-ВОСТОКА РОССИИ Москва Издательство Московского государственного университета леса 2008 УДК 630*52:630*174.754+630*16:582.475.4 Щ55 Рецензенты: доктор сельскохозяйственных наук, член-корреспондент РАСХН...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН ФГБОУ ВПО БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ООО БАШКИРСКАЯ ВЫСТАВОЧНАЯ КОМПАНИЯ ИННОВАЦИОННОМУ РАЗВИТИЮ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА – НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ Часть I ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ, ОХРАНА И ВОСПРОИЗВОДСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКЦИИ РАСТЕНИЕВОДСТВА НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ВИТЕБСКАЯ ОРДЕНА ЗНАК ПОЧЕТА ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ КАФЕДРА ХИМИИ БИОХИМИЯ ВИТАМИНОВ (УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ) ВИТЕБСК 2004 2 УДК 577.16 ББК 28.072 Б 63 Авторы: Германович Н.Ю., доцент Румянцева Н.В., старший преподаватель Котович И.В., старший преподаватель Баран В.П., старший преподаватель Рецензенты: Карпуть И.М., зав кафедрой терапии и внутренних болезней...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.И. ВАВИЛОВА ЛАНДШАФТНАЯ АРХИТЕКТУРА: ОТ ПРОЕКТА ДО ЭКОНОМИКИ Материалы Международной научно-практической конференции САРАТОВ 2014 УДК 712:630 ББК 42.37 Ландшафтная архитектура: от проекта до экономики: Материалы Международной научно-практической конференции. – Саратов: ООО Буква,...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации ФГБОУ ВПО Кубанский государственный аграрный университет КАТАЛОГ ИННОВАЦИОННЫХ ПРОЕКТОВ Под редакцией А. И. Трубилина Краснодар 2013 УДК 316.422:303.4(083.8) ББК 78.37 К29 Редакционный совет: Председатель: А. И. Трубилин Заместитель председателя: Ю. П. Федулов Ответственный редактор: Е. В. Труфляк Ч л е н ы с о в е т а : В. А. Волкова, Л. А. Дайбова, Е. М. Маковка, А. В. Моисеев, Е. М. Сорочинская, В. В. Сергеев, С. В. Щепкин С о с т а в и т...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИННОВАЦИОННОГО РАЗВИТИЯ АПК материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 90-летию государственности Удмуртии 16-19 февраля 2010 года Том I Ижевск ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА 2010 1 УДК 338.43:001.895 ББК 65.32 Н 34 Н 34 Научное обеспечение инновационного...»






 
© 2013 www.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

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.