Идентификация коэффициента массообменного возмущения и его учет при моделировании процесса магнитного фильтрования

Запропоновано математичну модель процесу магнітного осадження домішок у пористій фільтруючій насадці, яка враховує масообмінний коефіцієнт та зворотний вплив характеристик процесу (концентрації осаду) на фільтраційні параметри. Побудовано алгоритм розв’язання відповідної нелінійної оберненої сингуля...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Проблемы управления и информатики
Дата:2013
Автори: Бомба, А.Я., Сафоник, А.П., Фурсачик, Е.А.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2013
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/207599
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Идентификация коэффициента массообменного возмущения и его учет при моделировании процесса магнитного фильтрования / А.Я. Бомба, А.П. Сафоник, Е.А. Фурсачик // Проблемы управления и информатики. — 2013. — № 2. — С. 49–54. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859660404131627008
author Бомба, А.Я.
Сафоник, А.П.
Фурсачик, Е.А.
author_facet Бомба, А.Я.
Сафоник, А.П.
Фурсачик, Е.А.
citation_txt Идентификация коэффициента массообменного возмущения и его учет при моделировании процесса магнитного фильтрования / А.Я. Бомба, А.П. Сафоник, Е.А. Фурсачик // Проблемы управления и информатики. — 2013. — № 2. — С. 49–54. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Проблемы управления и информатики
description Запропоновано математичну модель процесу магнітного осадження домішок у пористій фільтруючій насадці, яка враховує масообмінний коефіцієнт та зворотний вплив характеристик процесу (концентрації осаду) на фільтраційні параметри. Побудовано алгоритм розв’язання відповідної нелінійної оберненої сингулярно збуреної задачі типу «конвекція–масообмін». The mathematical model of the process of magnetic precipitation of admixtures in porous filter attachment which takes into account the coefficient of mass transfer and reverse influence of process characteristics (concentration of sediment) on filtration parameters is offered. The algorithm of solution of the corresponding nonlinear inverse singular perturbed problem of «convection–mass-transfer» type is constructed.
first_indexed 2025-11-30T09:47:15Z
format Article
fulltext © А.Я. БОМБА, А.П. САФОНИК, Е.А. ФУРСАЧИК, 2013 Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2013, № 2 49 УДК 628.113.2:66.067.1+517.95 А.Я. Бомба, А.П. Сафоник, Е.А. Фурсачик ИДЕНТИФИКАЦИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МАССООБМЕННОГО ВОЗМУЩЕНИЯ И ЕГО УЧЕТ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ПРОЦЕССА МАГНИТНОГО ФИЛЬТРОВАНИЯ Введение. В работе [1] предложена математическая модель процесса магнит- ного осаждения примесей в пористой фильтрующей насадке, которая учитывает обратное влияние характеристик процесса (концентрации осадка) на фильтраци- онные параметры, при этом некоторые коэффициенты рассматриваемого процесса определялись экспериментальным путем. В данной же работе, опираясь на труды А.М. Тихонова, А.И. Прилепко, Н.И. Иванчова, А.Б. Костина и др., посвященные вопросам корректности решения обратных задач идентификации неизвестных ко- эффициентов, построен алгоритм решения соответствующей нелинейной обрат- ной задачи типа «конвекция–массообмен», с определением неизвестного коэффи- циента, который характеризует массовые объемы оторванных от гранул насадки примесных частиц. Известные аналитические уравнения, которые описывают процесс фильтро- вания [1–10] и процесс магнитного осаждения частиц [1, 11], не позволяют в ши- роком диапазоне изменения параметров описывать процесс очистки, кроме того, не учитывают обратное влияние характеристик процесса на характеристики сре- ды. Также недостаточно изучены массообменные коэффициенты и эксперимен- тальные зависимости [11, 12]. Поэтому актуальна задача построения нелинейной математической модели процесса магнитного осаждения примесей в намагничен- ных пористых насадках, которая включает определение массообменного коэффи- циента. Решение соответствующей обратной задачи дает возможность суще- ственно приблизить числовые расчеты к реальным экспериментальным данным, более точно прогнозировать и рассчитывать эффективность процесса магнитного осаждения примесей разных технологических водно-дисперсных систем. Постановка задачи. Рассмотрим пространственно-одномерный (для упро- щения изложения) процесс очистки жидкости путем фильтрования в фильтре- пласте толщиной L, отождествляемом с отрезком ],0[ L оси 0x. Предполагаем [1], что частицы загрязнения примеси могут переходить из одного состояния в другое (процессы захвата–отрыва, сорбции–десорбции), и при этом имеет место влияние соответствующих концентраций на характеристики рассматриваемого пласта. Со- ответствующий процесс фильтрования с учетом обратного влияния характеристик процесса (концентрации загрязнения жидкости и осадка) на характеристики среды (коэффициенты пористости, фильтрации, массообмена и т.п. по аналогии с [1, 10]) опишем следующей модельной задачей:                   ),,()(),( ),( ,0 ),(),()),()(( txttxc t tx x txc v t tx t txc (1) ,0,0),( 00 * *0   ttx ctcc (2) ).(~),~()( 0 txdtxt L   (3) 50 ISSN 0572-2691 Здесь ),( txc — концентрация примесей в жидкой среде в точке х в момент вре- мени t, ),( tx — концентрация примесей, осажденных в фильтрующей насадке,  — коэффициент, характеризующий массовые объемы осаждения примесей за единицу времени, )(t — искомый коэффициент, который характеризует массо- вые объемы оторванных от гранул засыпки частиц, )(t — функция, характеризу- ющая массовое распределения осадка во времени (находится опытным путем[11]), условие переопределения (3) предназначено для нахождения )(t [13, 14], pv grad)( — скорость фильтрования, )(* * tc — концентрации примесей на входе фильтра, ),( tx — пористость фильтрующей насадки 0( — исходная пористость насадки ),,()( *0 tx )( — коэффициент фильтрования ),()( 0 tx (см. [1]),  ,,, 0* — жесткие параметры (характеризуют со- ответствующие коэффициенты )(),(  — мягкие параметры, находятся опытным путем),  — малый параметр, характеризирующий соответствующие возмущения, p — давление. При этом отметим, что в более общем случае давление ),( txpp  следовало бы определять в результате решения уравнения t p x p x              )( )( (которое получается на основании записанного выше уравнения движения и урав- нения состояния: ) )( div t p v    при краевых ),(),0( * tptp  )(),( * tptLp  )0(  t и начальном )()0,( * * xpxp  )0( Lx  условиях ( ),(( * tp ),(* tp )(* * xp — заданные достаточно гладкие и согласованные в угловых точках обла- сти }0,0:),{(  tLxtxG функции). Для упрощения изложения в этой ра- боте рассматриваем случай, когда constv (характеризирует замкнутость систе- мы). При этом в процессе решения задачи можем определять соответствующее значение ,grad p в частности разность напоров )()( * * tptp  на входе и выходе из фильтра (прогнозировать увеличения «компенсационной» мощности двигателя). Асимптотика решения. Решение системы (1) при условиях (2) находим в виде асимптотических рядов (см., например, [1, 10]): ),,,(),(),(),( 1 0    txRtxctxctxc ci n i i ),,,(),(),(),( 1 0     txRtxtxtx n i i i (4) ),,()()()( 1 0     tRttt n i i i где  RRRc ,, — остаточные члены, ),,( txci ),,( txi )(ti ),0( ni  — искомые члены асимптотик. Аналогично [1] в результате подстановки (4) в (1)–(3) и осуществления стан- дартной «процедуры приравнивания» для определения функций ,ic ,i i ),0( ni  приходим к таким задачам:                     ,0,0),( ,,0 0000 * *00 0 0000 0 ttx ctcc c ttx c v t c Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2013, № 2 51 ),(~),~()( 0 00 txdtxt L                            ,,1,0,0,0 ,,0 000 1 *1* nicc gc tt c tx c v t c titixi ii ii i iii i .0~),~()(...~),~()(~),~()( 0 0 0 11 0 0    xdtxtxdtxtxdtxt L i L i L i В результате их решения имеем:                    ,,0 ,, ),( 0 0/0* * 0 v x t v x te v x tc txc vx  t tdtxctx 0 00 ~ ) ~ ,(),( , , ~),~( )( )( 0 0 0 xdtx t t L               ),(,0 ),(,~))()~(,~( ),( 0 ),~( ),( xft xftxdexfxxfxg v e txc i i x tx iii tx i i i , ~ )) ~ ,() ~ ,((),( 0   t iii tdtxgtxctx , ~),~( ~),~()( )( 0 0 01 xdtx xdtxt t L L i i k ki i        где ),,()(),( 1 1 txttxg k i k kii      ,~))()~(,~( 1 ),( 0 xdxfxxfx v tx x iiii    ),( txi . ),(1 *      t txi Приближенные значения функций )(xfi находятся путем интер- полирования массива ),,( jj tx ,,1 nj  где ,jxx j  ),(1*1 jjijj tx v x tt     [1]. Остаточные члены оцениваются аналогично [10]. Результаты численных расчетов. Согласно [11] коэффициент захваченных частиц примеси вычисляется по формуле , 2 75,0 0 vd H  где 0 — свободный пара- метр, v — скорость фильтрования, d — диаметр гранулированной насадки фильтра. Приведем результаты расчетов согласно (5) при 2)(* * tc мг/л, ,c60 1 ,час/м200v 1L м. В результате интерполирования экспериментальных дан- ных [11] получено массовое распределение )(t осадка со временем (рис. 1, а). График временной зависимости соответствующего массообменного коэффициен- та )(t изображен на рис. 1, б. Рост массообменного коэффициента во времени объясняется тем, что (для данного случая при полученном экспериментально зна- чении )(t ) в процессе осаждения частиц гранулы пористой засыпки максималь- но насыщаются примесными частицами и под действием гидравлического напора вероятность отрыва частиц от гранул возрастает до момента времени pr эффек- тивной работы фильтра. 52 ISSN 0572-2691 0 100 200 300 400 500 (t) (t) t 20 40 60 80 100 t 20 40 60 80 pr 2 10 3 4 10 3 6 10 3 8 10 3 1 10 2 а б Рис. 1 0,5 1 1,5 2 c x 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 c(x, t1) c(x, t2) 200 400 600  x 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 (x, t1) (x, t2) а б Рис. 2 На рис. 2 изображены графики распределения концентрации примесей в жидкости c(x, t) и осадке (x, t) в определенные моменты времени 25( 1 t ч, 752 t ч). Учитывая на выходе фильтра (при )1L допустимое значение концент- рации 59,0cr  cc мг/л, находим время его защитного действия: 71pr t ч, что на четыре часа отличается от данных, полученных исследовательским спосо- бом [11]. При этом фильтр накопит 240 г осадка. Заметим, что коэффициенты по- ристости и фильтрации убывают с возрастанием времени (физически это объясня- ется прилипанием твердых частиц к стенкам пор). В предположении заданной скорости constv по формуле )(/grad  vp находим соответствующую величину градиента давления (на основании этого имеется возможность принятия расчетного решения относительно изменения мощности двигателя насоса подачи жидкости в фильтр), а также время достиже- ния критического значения градиента, что дает возможность принимать соответ- ствующее «решение автоматизации». Изменение pgrad во времени показано на рис. 3, а. Как видим (рис. 3, б), в случае const* * * * )(  cc t величина  практиче- ски не изменяется к моменту времени ,pr что подтверждает известный факт распределения эффективности фильтра во времени [1]. Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2013, № 2 53 0 10 grad p t 20 40 60 80 100 0 1  t 20 40 60 80 100 pr а б Рис. 3 Заключение. Построена математическая модель, которая описывает законо- мерности магнитного осаждения и накопления примесей в пористой насадке, с учетом обратного влияния характеристик процесса (концентрации осадка) на характеристики среды и включает возможность определения неизвестного массо- обменного коэффициента. Предложен алгоритм решения соответствующей воз- мущенной задачи, который, в частности, предполагает возможность определения времени pr защитного действия фильтра. Приведены результаты расчетов рас- пределения удельной концентрации и массового объема примесей (по длине фильтрующей пористой насадки) для разных моментов времени. В рамках данной модели предусматривается возможность автоматизированного контроля процесса эффективного осаждения примесей в намагниченной фильтрующей насадке в за- висимости от исходных данных загрязненной водной среды, а также принятия решения относительно изменения мощности двигателя насоса подачи жидкости в фильтр. В перспективе — моделирование процессов фильтрования в условиях неполных данных с учетом диффузии (см., например, [1, 15, 16]). А.Я. Бомба, А.П. Сафоник, O.А. Фурсачик ІДЕНТИФІКАЦІЯ КОЕФІЦІЄНТА МАСООБМІННОГО ЗБУРЕННЯ ТА ЙОГО ВРАХУВАННЯ ПРИ МОДЕЛЮВАННІ ПРОЦЕСУ МАГНІТНОГО ФІЛЬТРУВАННЯ Запропоновано математичну модель процесу магнітного осадження домішок у пористій фільтруючій насадці, яка враховує масообмінний коефіцієнт та зво- ротний вплив характеристик процесу (концентрації осаду) на фільтраційні па- раметри. Побудовано алгоритм розв’язання відповідної нелінійної оберненої сингулярно збуреної задачі типу «конвекція–масообмін». A.Ya. Bomba, A.P. Safonyk, E.A. Fursachik IDENTIFICATION OF MASS TRANSFER DISTURBANCE COEFFICIENT AND TAKING IT INTO ACCOUNT FOR MAGNETIC FILTRATION PROCESS MODELING The mathematical model of process of the magnetic precipitation of admixtures in porous filter attachment which takes into account coefficient of mass transfer and re- 54 ISSN 0572-2691 verse influence of characteristics of process (concentrations of sediment) on filtration parameters is offered. The algorithm of solution of corresponding nonlinear inverse singular perturbed problem of «convection–mass-transfer» type is constructed. 1. Бомба А.Я., Гаврилюк В.І., Сафоник А.П., Фурсачик О.А. Нелінійні задачі типу фільтрація- конвекція-дифузія-масообмін за умов неповних даних. — Рівне : НУВГП, 2011. — 276 с. 2. Elimelech M. Predicting collision efficiencies of colloidal particles in porous media // Water Re- search. — 1992. — 26, N 1. — P. 1–8. 3. Elimelech M. Particle deposition on ideal collectors from dilute flowing suspensions: Mathemati- cal formulation, numerical solution and simulations // Separations Technology. —1994. — 4. — P. 186–212. 4. Jegatheesan V. Effect of surface chemistry in the transient stages of deep bed filtration / Ph Dis- sertation, University of Technology Sydney, 1999. —300 p. 5. Johnson P.R., Elimelech M. Dynamics of colloid deposition in porous media: Blocking based on random sequential adsorption // Langmuir. — 1995. — 11, N 3. — P. 801–812. 6. Ison C.R., Ives K.J. Removal mechanisms in deep bed filtration // Che. Engng. Sci. — 1969. — 24. — P. 717–729. 7. Ives K.J. Theory of filtration // Int. Water Supply Congress, Vienna, 1969. — Special subject N 7. 8. Ives K.J. Rapid filtration // Water Research. — 1970. — 4, N 3. — P. 201–223. 9. Aggregation and deposition of engineered nanomaterials in aquatic environments: role of physi- cochemical interactions / A.R. Petosa, D.P. Jaisi, I.R. Quevedo, M. Elimelech, N. Tufenkji // En- vironmental Science & Technology. — 2010. — 44. — P. 6532–6549. 10. Бомба А.Я., Барановський С.В., Присяжнюк І.М. Нелінійні сингулярно-збурені задачі типу «конвекція–дифузія». — Рівне : НУВГП, 2008. — 252 с. 11. Сандуляк А.В. Очистка жидкостей в магнитном поле. — Львов : Высш. шк., 1984. — 166 с. 12. Минц Д.М. Теоретические основы технологии очистки воды. — М. : Стройиздат, 1964. — 156 с. 13. Иванчов Н.И. Об определении зависящего от времени старшего коэффициента в параболи- ческом уравнении // Сиб. мат. журн. — 1998. — 39, № 3. — C. 539–550. 14. Кабанихин С.И. Обратные и некорректные задачи. — Новосибирск : Сибирское научн. изд-во, 2009. — 458 с. 15. Сергиенко И.В., Дейнека В.С. Решения комбинированных обратных задач для параболиче- ских многокомпонентных распределенных систем // Кибернетика и системный анализ. — 2007. — № 5. — С. 48–71. 16. Сергиенко И.В., Дейнека В.С. Идентификация градиентными методами параметров задач диффузии вещества в нанопористой среде // Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики». — 2010. — № 6. — С. 5–18. Получено 26.03.2012 После доработки 18.07.2012
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-207599
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0572-2691
language Russian
last_indexed 2025-11-30T09:47:15Z
publishDate 2013
publisher Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
record_format dspace
spelling Бомба, А.Я.
Сафоник, А.П.
Фурсачик, Е.А.
2025-10-10T10:25:35Z
2013
Идентификация коэффициента массообменного возмущения и его учет при моделировании процесса магнитного фильтрования / А.Я. Бомба, А.П. Сафоник, Е.А. Фурсачик // Проблемы управления и информатики. — 2013. — № 2. — С. 49–54. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
0572-2691
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/207599
628.113.2:66.067.1+517.95
10.1615/JAutomatInfScien.v45.i4.20
Запропоновано математичну модель процесу магнітного осадження домішок у пористій фільтруючій насадці, яка враховує масообмінний коефіцієнт та зворотний вплив характеристик процесу (концентрації осаду) на фільтраційні параметри. Побудовано алгоритм розв’язання відповідної нелінійної оберненої сингулярно збуреної задачі типу «конвекція–масообмін».
The mathematical model of the process of magnetic precipitation of admixtures in porous filter attachment which takes into account the coefficient of mass transfer and reverse influence of process characteristics (concentration of sediment) on filtration parameters is offered. The algorithm of solution of the corresponding nonlinear inverse singular perturbed problem of «convection–mass-transfer» type is constructed.
ru
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
Проблемы управления и информатики
Методы идентификации и адаптивного управления
Идентификация коэффициента массообменного возмущения и его учет при моделировании процесса магнитного фильтрования
Ідентифікація коефіцієнта масообмінного збурення та його врахування при моделюванні процесу магнітного фільтрування
Identification of Mass Transfer Disturbance Coefficient and Taking It into Account for Magnetic Filtration Process Modeling
Article
published earlier
spellingShingle Идентификация коэффициента массообменного возмущения и его учет при моделировании процесса магнитного фильтрования
Бомба, А.Я.
Сафоник, А.П.
Фурсачик, Е.А.
Методы идентификации и адаптивного управления
title Идентификация коэффициента массообменного возмущения и его учет при моделировании процесса магнитного фильтрования
title_alt Ідентифікація коефіцієнта масообмінного збурення та його врахування при моделюванні процесу магнітного фільтрування
Identification of Mass Transfer Disturbance Coefficient and Taking It into Account for Magnetic Filtration Process Modeling
title_full Идентификация коэффициента массообменного возмущения и его учет при моделировании процесса магнитного фильтрования
title_fullStr Идентификация коэффициента массообменного возмущения и его учет при моделировании процесса магнитного фильтрования
title_full_unstemmed Идентификация коэффициента массообменного возмущения и его учет при моделировании процесса магнитного фильтрования
title_short Идентификация коэффициента массообменного возмущения и его учет при моделировании процесса магнитного фильтрования
title_sort идентификация коэффициента массообменного возмущения и его учет при моделировании процесса магнитного фильтрования
topic Методы идентификации и адаптивного управления
topic_facet Методы идентификации и адаптивного управления
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/207599
work_keys_str_mv AT bombaaâ identifikaciâkoéfficientamassoobmennogovozmuŝeniâiegoučetprimodelirovaniiprocessamagnitnogofilʹtrovaniâ
AT safonikap identifikaciâkoéfficientamassoobmennogovozmuŝeniâiegoučetprimodelirovaniiprocessamagnitnogofilʹtrovaniâ
AT fursačikea identifikaciâkoéfficientamassoobmennogovozmuŝeniâiegoučetprimodelirovaniiprocessamagnitnogofilʹtrovaniâ
AT bombaaâ ídentifíkacíâkoefícíêntamasoobmínnogozburennâtaiogovrahuvannâprimodelûvanníprocesumagnítnogofílʹtruvannâ
AT safonikap ídentifíkacíâkoefícíêntamasoobmínnogozburennâtaiogovrahuvannâprimodelûvanníprocesumagnítnogofílʹtruvannâ
AT fursačikea ídentifíkacíâkoefícíêntamasoobmínnogozburennâtaiogovrahuvannâprimodelûvanníprocesumagnítnogofílʹtruvannâ
AT bombaaâ identificationofmasstransferdisturbancecoefficientandtakingitintoaccountformagneticfiltrationprocessmodeling
AT safonikap identificationofmasstransferdisturbancecoefficientandtakingitintoaccountformagneticfiltrationprocessmodeling
AT fursačikea identificationofmasstransferdisturbancecoefficientandtakingitintoaccountformagneticfiltrationprocessmodeling