Ученый ТПУ научил обычные компьютеры за 1,5 минуты просчитывать наиболее эффективное расположение систем отопления
Ученый Томского политехнического университета нашел простой способ рассчитать, как в замкнутом помещении распределяются тепловые потоки. Новый подход позволяет уменьшить потери тепла и рассчитать верное расположение обогревателей и вентиляторов во избежание застоя воздуха. При этом с вычислениями справится любой персональный компьютер, а не суперкомпьютеры, как это требовалось раньше. Метод политехника может лечь в основу новых систем отопления с максимальной экономией энерго- и финансовых затрат.
Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (№ 24-71-00009). Результаты работы ученого опубликованы в журнале Chinese Journal of Physics (Q2, IF: 4,6).
Существует несколько моделей расчета отопления. Для одного из них используют уравнение теплового баланса. Однако оно не учитывает движение воздушных потоков (когда холодный воздух опускается вниз, а теплый поднимается вверх – ред.). Существует также модель, учитывающая естественные турбулентные потоки, то есть движение воздуха и теплообмен. Основным методом решения выражений в этой модели является уравнение Навье – Стокса. Для его вычисления нужны мощности суперкомпьютера, поскольку после расчета каждого шага (определенного отрезка времени) необходимо решать уравнение неразрывности, то есть доказывать, что поток воздуха – сплошной, и предыдущее состояние воздуха связано с текущим.
Ученый Томского политеха нашел новый способ вычисления модели естественных турбулентных потоков. В его основе вместо уравнения Навье – Стокса лежит уравнение Больцмана, которое политехник адаптировал для математического описания турбулентных потоков.
Это уравнение проще вычислить, так как в нем не нужно решать уравнение неразрывности после каждого шага. Благодаря этому, используя предложенную модель, просчитать движение воздушных потоков можно приблизительно за полторы минуты на обычной видеокарте средней цены. Поэтому при учете затрат энергии на отопление инженеры смогут также учитывать движение воздушных потоков, и модель турбулентной естественной конвекции сможет заменить уравнение теплового баланса — приводятся на сайте РНФ слова автора исследования, научного сотрудника проблемной научно-исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников ТПУ Александра Ни.
По словам ученого, учет движения воздушных потоков по новой модели позволит правильно расположить системы нагревания и вентиляции и достичь максимальной экономии энерго- и финансовых затрат.
В будущем в ТПУ планируют увеличить скорость решения уравнения на столько, чтобы просчитывать динамику системы в реальном времени. Это позволит, в перспективе, создавать цифровые двойники любых систем теплопотребления, смотреть за динамикой тепловых потоков, предупреждать аварии, находить их причины и быстро их устранять.
«Для этого (увеличения скорости – ред.) нужно распределить расчетные точки по разным видеокартам: например, у нас есть миллион расчетных точек, в которых мы просчитываем изменение температуры. Можно сделать так, чтобы одна видеокарта считала 500 тысяч точек, а вторая — другие 500 тысяч, и таким образом увеличить скорость вычислений настолько, чтобы просчитывать динамику системы в реальном времени», — добавляет Александр Ни.
Узнавайте первыми главные энергетические новости и актуальную информацию о важных событиях дня в России и мире.
Подписывайтесь на наш Telegram-канал
"ГИС-Профи. Информационное сопровождение предприятий энергетической отрасли"