МЕТОДОЛОГИЯ АНАЛИЗА СТРУКТУРНЫХ СВЯЗЕЙ И ПОВЕДЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ (27.01.2012)

Автор: Коныгин Сергей Борисович

Целью диссертационной работы является разработка новой методологии системного анализа для решения проблемы единого теоретического описания промышленных технологий, основанных на физико-химических процессах, и повышения качества решения задач производственной направленности на основе вычислительных экспериментов.

Для достижения поставленной цели автором диссертационной работы были поставлены и решены следующие научные задачи:

Разработаны универсальные принципы формального представления элементарных физико-химических процессов, характерных для промышленных технологий, позволяющие провести их интеграцию в рамках системного анализа.

Созданы на основе разработанных формальных принципов унифицированные структурные модули элементарных физико-химических процессов и структурных связей между ними, выступающие в качестве элементов для проведения системного анализа.

Разработаны принципы взаимодействия структурных модулей элементарных физико-химических процессов в рамках постановки конкретных промышленных задач.

Проведена оценка адекватности предложенного метода системного анализа физико-химических систем путем сравнения с результатами классических теоретических подходов и экспериментальными данными.

Рассмотрены примеры использования предложенной методологии для конкретных задач, представляющих интерес в различных отраслях промышленности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Впервые разработан новый метод анализа физико-химических процессов в промышленных технологиях, отличающийся от известных использованием в качестве структурообразующих элементов химических компонентов, элементарных физико-химических процессов и взаимовлияний между ними, позволяющий при решении задач системного анализа промышленных объектов реализовать детализацию вплоть до атомно-молекулярного уровня.

Разработан новый принцип формализации элементарных физико-химических процессов, отличающийся от известных их представлением в виде единичных скачкообразных актов перехода частиц из одних устойчивых состояний в другие, который позволяет рассматривать широкий круг разнородных процессов с единой методологической позиции и интегрировать их в рамках системного подхода.

Впервые разработаны новые принципы построения эквивалентных схем элементарных процессов, связывающих физико-химическую специфику процессов с представлениями системного анализа, позволяющие формализовать механизмы протекания промышленных технологий на атомно-молекулярном уровне.

Установлены основные области практического использования и границы применимости разработанного подхода при анализе физико-химических процессов, характерных для различных отраслей промышленности.

Разработан новый метод, позволяющий проводить теоретическое исследование поведения физико-химических процессов, отличающийся от известных использованием вероятностного клеточного автомата, реализующего моделирование элементарных процессов на атомно-молекулярном уровне.

Разработаны новые методы, позволяющие определять исходные данные для макроскопического описания промышленных технологий, отличающиеся от известных обработкой информации о состояниях структурных элементов физико-химических процессов на атомно-молекулярном уровне.

Построены новые комплексные модели адсорбционных, газожидкостных и гетерогенных химических процессов различной отраслевой направленности, отличающиеся от известных тем, что они основаны на использовании предлагаемой методологии анализа физико-химических процессов, позволяющие описывать различные варианты их поведения.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

Предложенный подход позволяет использовать арсенал методов системного анализа при решении практических задач технологического (физико-химического) характера различной отраслевой направленности.

Представлены практические примеры использования предложенного подхода для анализа поведения конкретных многокомпонентных гетерофазных процессов, используемых в современных промышленных технологических процессах (химическая промышленность, микроэлектроника и т.д.).

Разработанные методика и программный продукт позволяют осуществлять поддержку при принятии решений о структуре физико-химических процессов, определяющих поведение конкретных промышленных технологий.

Разработанный подход позволяет выявлять основные факторы, необходимые для совершенствования и эффективного управления физико-химическими процессами в промышленных технологиях.

Основные положения, выносимые на защиту:

метод анализа физико-химических процессов промышленных технологий, основанный на использовании в качестве структурообразующих элементов химических компонентов, элементарных процессов и взаимовлияний между ними.

принципы построения эквивалентных схем элементарных физико-химических процессов, отражающих механизмы протекания промышленных технологий.

метод вероятностного моделирования поведения физико-химических процессов на атомно-молекулярном уровне, основанный на использовании вероятностного клеточного автомата.

Результаты проверки адекватности предложенного подхода к анализу физико-химических процессов в промышленных технологиях.

Результаты использования предложенного метода к анализу физико-химических процессов различной промышленной направленности.

Методы исследований. Для достижения поставленной цели использовался системный подход к проблеме, основанный на вероятностном моделировании процессов на атомно-молекулярном уровне методом вероятностного клеточного автомата и статистической обработки полученной информации.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается корректным использованием применяемого математического аппарата, физических и химических закономерностей. Справедливость выводов о корректности результатов вероятностного моделирования подтверждается путем их сравнения с классическими теориями и в ряде случаев с имеющимися в литературе экспериментальными данными многих учёных.

Реализация научных исследований. Полученные в работе результаты были использованы:

при анализе процессов загрязнения поверхности летательных аппаратов (ГНП РКЦ "ЦСКБ-Прогресс", г.Самара);

при исследовании кинетики коррозионных процессов в трубопроводах (нефтяная компания ЗАО "Самара-Нафта", г.Самара).

Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на Международных и Всероссийских конференциях и симпозиумах, в том числе: Всероссийской научной конференции "ЭВТ в обучении и моделировании" – Бирск, 2001; Международном симпозиуме "Компьютерное обеспечение химических исследований" и 3-й Всероссийской школе-конференции по квантовой и вычислительной химии им. В.А.Фока – Новгород Великий, 2001; Международной конференции "Актуальные проблемы современной науки" – Самара, 2001; III Всероссийской конференции "Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии" – Саратов, 2001; Всероссийском симпозиуме "Современные проблемы хроматографии" – Москва, 2002; Второй Всероссийской научно-практической конференции "Нефтегазовые и химические технологии" – Самара, 2003; XVI Симпозиуме "Современная химическая физика" – Туапсе, 2004; 8-й Международной конференции по фундаментальной адсорбции – Аризона, США, 2004; Международной конференции "Углерод в катализе" – Лозанна, Швейцария, 2004; 5-й Международной конференции "Актуальные проблемы современной науки", IX Всероссийской научно-технической конференции "Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании", Всероссийской научной конференции "Переработка углеводородного сырья. Комплексные решения" – Самара, 2009; V Международной научно-практической конференции "Ашировские чтения" – Самара, 2009; VII Международной научно-практической конференции "Ашировские чтения" – Самара, 2010; II Всероссийской научно-практической конференции "Актуальные проблемы машиностроения" – Самара, 2010; 4-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании" – Тюмень, 2010; III Всероссийской научно-практической конференции "Актуальные проблемы машиностроения" – Самара, 2011; 10-й Всероссийской межвузовской научно-практической конференции "Компьютерные технологии в науке, практике и образовании – Самара, 2011.

Публикации. По результатам выполненных в диссертационной работе исследований опубликовано 35 научных работ. Из них 15 работ опубликовано в журналах, рекомендованных ВАК России, получен 1 патент, 19 работ опубликовано в других журналах, материалах международных и всероссийских конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 295 страницах и включает 108 рисунков, 29 таблиц и 2 приложения. Список литературы включает 235 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко сформулирована проблематика создания моделей физико-химических процессов (ФХП) на атомно-молекулярном уровне, необходимых для совершенствования существующих и создания новых технологий, повышения эффективности управления ими. Для решения указанной проблематики предлагается использовать методы системного анализа, основанные на использовании вероятностного клеточного автомата (ВКА).

Первая глава посвящена рассмотрению исходных предпосылок для разработки нового подхода к системному анализу ФХП с помощью метода ВКА.

Как отмечалось ранее, совершенствование существующих и поиск путей создания новых технологий в значительной мере связаны с возможностями моделирования процессов на микроуровне. Проведенный анализ механизмов протекания процессов в технических объектах показал, что для их описания может быть использован подход, который рассматривает макроскопические процессы как результат протекания на микроуровне колоссального количества единичных актов перестройки атомно-молекулярной структуры. В рамках настоящей работы указанные акты считаются элементарными физико-химическими процессами. Данный подход является весьма гибким и предоставляет разработчику модели достаточно широкие возможности по формализации элементарных ФХП.

В цикле существования технических объектов с некоторой долей условности могут быть выделены три основных стадии, моделирование которых может представлять важную инженерную задачу:

совокупность технологических процессов создания;


загрузка...