Материал: Технологии производства пищи

Для исследования характеристик процесса функционирования любой системы математическими методами, включая и машинные, должна быть проведена формализация этого процесса, т. е. построена математическая модель.

Под математическим моделированием следует понимать процесс установления соответствия данному реальному объекту некоторого математического объекта, называемого математической моделью, и исследование этой модели, позволяющее получать характеристики рассматриваемого реального объекта. Вид математической модели зависит как от природы реального объекта, так и задач исследования объекта и требуемой достоверности и точности решения этой задачи. Любая математическая модель, как и всякая другая, описывает реальный объект лишь с некоторой степенью приближения к действительности. Математическое моделирование для исследования характеристик процесса функционирования систем можно разделить на аналитическое, имитационное и комбинированное.

Для аналитического моделирования характерно то, что процессы функционирования элементов системы записываются в виде некоторых функциональных соотношений (алгебраических, интегральных, дифференциальных, конечно-разностных и т. п.) или логических условий. Аналитическая модель может быть исследована следующими методами: а) аналитическим, когда стремятся получить в общем виде явные зависимости для искомых характеристик; б) численным, когда, не умея решать уравнений в общем виде, стремятся получить числовые результаты при конкретных начальных данных; в) качественным, когда, не имея решения в явном виде, можно найти некоторые свойства решения (например, оценить устойчивость решения).

Наиболее полное исследование процесса функционирования системы можно провести, если известны явные зависимости, связывающие искомые характеристики с начальными условиями, параметрами и переменными. Однако такие зависимости удается получить только для сравнительно простых систем. При усложнении систем исследование их аналитическим методом наталкивается на значительные трудности, которые часто бывают непреодолимыми. Поэтому, желая использовать аналитический метод, в этом случае идут на существенное упрощение первоначальной модели, чтобы иметь возможность изучить хотя бы общие свойства системы. Такое исследование на упрощенной модели аналитическим методом помогает получить ориентировочные результаты для определения более точных оценок другими методами.

Численный метод позволяет исследовать по сравнению с аналитическим методом более широкий класс систем, но при этом полученные решения носят частный характер. Численный метод особенно эффективен при использовании ЭВМ.

В отдельных случаях исследования системы могут удовлетворить и те выводы, которые можно сделать при использовании качественного метода анализа математической модели. Такие качественные методы широко используются, например, в теории автоматического управления для оценки эффективности различных вариантов систем управления.

При имитационном моделировании реализующий модель алгоритм воспроизводит процесс функционирования системы во времени, причем имитируются элементарные явления, составляющие процесс, с сохранением их логической структуры и последовательности протекания во времени, что позволяет по исходным данным получить сведения о состояниях процесса в определенные моменты времени, дающие возможность оценить характеристики системы.

Основным преимуществом имитационного моделирования по сравнению с аналитическим является возможность решения более сложных задач.

Имитационные модели позволяют достаточно просто учитывать такие факторы, как наличие дискретных и непрерывных элементов, нелинейные характеристики элементов системы, многочисленные случайные воздействия и др., которые часто создают трудности при аналитических исследованиях. В настоящее время имитационное моделирование - наиболее эффективный метод исследования больших систем, а часто и единственный практически доступный метод получения информации о поведении системы, особенно на этапе ее проектирования.

Когда результаты, полученные при воспроизведении на имитационной модели процесса функционирования системы, являются реализациями случайных величин и функций, тогда для нахождения характеристик процесса требуется его многократное воспроизведение с последующей статистической обработкой информации и целесообразно в качестве метода машинной реализации имитационной модели использовать метод статистического моделирования.

Комбинированное (аналитико-имитационное) моделирование при анализе и синтезе систем позволяет объединить достоинства аналитического и имитационного моделирования. При построении комбинированных моделей проводится предварительная декомпозиция процесса функционирования объекта на составляющие подпроцессы и для тех из них, где это возможно, используются аналитические модели, а для остальных подпроцессов строятся имитационные модели.

При реальном моделировании используется возможность исследования различных характеристик либо на реальном объекте целиком, либо на его части. Реальное моделирование является наиболее адекватным, но при этом его возможности с учетом особенностей реальных объектов ограничены.

Натурным моделированием называют проведение исследования на реальном объекте с последующей обработкой результатов эксперимента на основе теории подобия. При функционировании объекта в соответствии с поставленной целью удается выявить закономерности протекания реального процесса. Такие разновидности натурного эксперимента, как производственный эксперимент и комплексные испытания, обладают высокой степенью достоверности. Отличие эксперимента от реального протекания процесса заключается в том, что в нем могут появиться отдельные критические ситуации и определяться границы устойчивости процесса.

Одна из разновидностей эксперимента - комплексные испытания, которые также можно отнести к натурному моделированию, когда вследствие повторения испытаний изделий выявляются общие закономерности о надежности этих изделий, о характеристиках качества и т. д. В этом случае моделирование осуществляется путем обработки и обобщения сведений, проходящих в группе однородных явлений.

Наряду со специально организованными испытаниями возможна реализация натурного моделирования путем обобщения опыта, накопленного в ходе производственного процесса, т. е. можно говорить о производственном эксперименте. Здесь на базе теории подобия обрабатывают статистический материал по производственному процессу и получают его обобщенные характеристики.

Другим видом реального моделирования является физическое, отличающееся от натурного тем, что исследование проводится на установках, которые сохраняют природу явлений и обладают физическим подобием. В процессе физического моделирования задаются некоторые характеристики внешней среды и исследуется поведение либо реального объекта, либо его модели при заданных или создаваемых искусственно воздействиях внешней среды. Физическое моделирование может протекать в реальном и нереальном (псевдореальном) масштабах времени, а также может рассматриваться без учета времени.

С точки зрения математического описания объекта и в зависимости от его характера модели можно разделить на модели аналоговые (непрерывные), цифровые (дискретные) и аналого-цифровые (комбинированные). Под аналоговой моделью понимается модель, которая описывается уравнениями, связывающими непрерывные величины. Под цифровой понимают модель, которая описывается уравнениями, связывающими дискретные величины, представленные в цифровом виде. Под аналого-цифровой понимается модель, которая может быть описана уравнениями, связывающими непрерывные и дискретные величины.

Диспергирование

Диспергирование (от лат. dispergo - рассеиваю, рассыпаю) тонкое измельчение твердого тела или жидкости, в результате которого образуются дисперсные системы: порошки, суспензии, эмульсии, аэрозоли.

Диспергирование жидкостей в газах (воздухе) обычно называется распылением, а в жидкостях - эмульгированием. Диспергирование твердых материалов производят с помощью мельниц различной конструкции (шаровых, вибрационных, коллоидных, струйных и др.), звуковых и ультразвуковых вибраторов.

Основной способ измельчения твердых материалов - механическое диспергирование. Над системой в этом случае совершается внешняя механическая работа, и в процессе дробления происходит преодоление межмолекулярных сил и накопление поверхностной энергии. Механическое диспергирование осуществляют различными способами: истиранием, раздавливанием, раскалыванием, распылением, барботажем (пропусканием струи воздуха, пара или газа через жидкость), встряхиванием, взрывом и т. п.

Для диспергирования не очень прочных материалов в настоящее время достаточно широко применяют ультразвуковой метод.

При диспергировании жидкостей применяют турбулентное (вихревое) перемешивание, различного рода гомогенизаторы - аппараты для получения однородных эмульсий. В лабораториях и аптеках для диспергирования широко используют ступы.

Диспергирование имеет место в процессе производства лакокрасочных материалов всегда, когда необходимо ввести пигменты и/или наполнители. Диспергирование в данном случае означает разрушение агломератов пигмента, агломератов кристаллитов или первичных частиц или агрегатов и их распределение в жидкой фазе, обычно в растворе пленкообразователя или при производстве порошковых материалов в расплаве полимера.

Диспергирование, как и измельчение, - это наиболее энергоемкая и технически сложная стадия в производстве пигментированных ЛКМ. Для достижения наибольшей эффективности процессов диспергирования на имеющемся оборудовании (устройстве, аппарате) композиция диспергируемого материала при необходимости должна быть подготовлена с помощью процесса, известного под названием оптимизация пигментной пасты. При диспергировании возникают напряжения. Применение механической силы к частице, например, агломерату, называют механическим напряжением.

Диспергирование применяют также при получении цементов, муки, многих пищевых продуктов и кормовых концентратов, при использовании с.-х. ядохимикатов (пестицидов), при сжигании жидкого и твердого топлива и во многих других технологических процессах.

Диспергирование (от лат. dispergo - рассеиваю, рассыпаю), тонкое измельчение твердого тела или жидкости, в результате которого образуются дисперсные системы. порошки. суспензии. эмульсии. аэрозоли.

Диспергирование жидкости в газовой среде наз. распыливанием, в др. жидкости (не смешивающейся с первой) - эмульгированием (см. Эмульсии). Удиспергирование работа, затрачиваемая на диспергирование, зависит от когезионных характеристик (см. Когезия), особенностей структуры измельчаемого тела и требуемой степени его измельчения, а также поверхностной (межфазной) энергии. Введение в систему ПАВ - диспергаторов, эмульгаторов, понизителей твердости - снижает энергозатраты при диспергировании и повышает дисперсность измельченной фазы. В промышленности и лаб. практике диспергирование твердых тел осуществляют с помощью мельниц разл. типов: шаровых, вибрационных, планетарных, дезинтеграторных, струйных и др. (см. Измельчение).

Для диспергирования жидкостей применяют следующие устройства: гомогенизаторы, в которых жидкая смесь продавливается под высоким давлением (до 35 МПа) через отверстия сечением ок. 10-4 см2 или через узкий кольцевой зазор спец. клапана; коллоидные мельницы, в которых жидкость диспергируется при прохождении через конич. зазор шириной до 25 мкм между статором и ротором, вращающимся с частотой порядка 2.104 об/мин; смесители инжекционного типа и форсунки, работающие по принципу действия струйного насоса (см. Насосы); высокоскоростныемешалки турбинного, пропеллерного и др. типов (см. Перемешивание). Кроме того, диспергирование осуществляют с помощью акустич. и электрич. устройств. К акустич. устройствам относятся, например, ультразвуковые свистки и сирены для эмульгирования, магнитострикц. преобразователи для получения суспензий, волновые концентраторы (в виде распылительной насадки) для генерирования аэрозолей (см. также Ультразвуковые аппараты). Действие ультразвуковых диспергаторов основано на явлении кавитации - образовании в жидкости заполненных газом каверн, или полостей; при их захлопывании возникают ударные волны. приводящие к разрушению твердых тел и эмульгированию жидкости. Работа устройств для электрич. эмульгирования или распиливания основана на сообщении жидкости, точнее пов-сти жидкой диспергируемой фазы при ее истечении через спец. сопло либо разбрызгивающее приспособление избытка электрич. зарядов. Отталкивание одноименных зарядов в поверхностном слое приводит к снижению межфазной энергии, или поверхностного натяжения (см. Поверхностные явления), что способствует диспергированию.