1.1. Анализ тепловых явлений

При решении тепловых задач вычисляются распределения температур (температурные поля) и соответствующие (рассматриваемой задаче) тепловые величины в рассчитываемой системе или ее части. Типичными тепловыми ве­личинами, представляющими интерес при тепловом расчете, являются:

• температурные поля;

• количество подведенного или отведенного тепла;

• градиенты температур;

• плотности тепловых потоков.

Тепловое моделирование играет важную роль в многочисленных инже­нерных приложениях, включая нагнетатели и тепловые двигатели, теп­лообменники, высоко- и низкотемпературные теплотехнологические установки и т.д.

Существует два типа теплового анализа:

1. При решении стационарных тепловых задач определяются распреде­ление температур (температурное поле) и другие тепловые величины при ста­ционарных граничных условиях. Стационарные граничные условия означают ситуацию, когда их изменением можно пренебречь.

2. При решении нестационарных тепловых задач определяются темпера­турное поле и другие тепловые величины при граничных условиях, которые из­меняются в течение рассматриваемого периода времени.

При решении стационарных тепловых задач могут быть определены температуры, градиенты температур, тепловые потоки и плотности тепловых потоков в объектах, к которым приложены тепловые граничные условия, не из­меняющиеся с течением времени. К таким условиям относятся:

• конвекция;

• лучистый теплообмен;

• тепловой поток;

• плотность теплового потока (тепловой поток, отнесенный к единице площади поверхности теплообмена);

• интенсивность объемного тепловыделения (тепловой поток, выде­ляющийся в единице объема);

• постоянная температура на границах.

Стационарные задачи могут быть линейными (при постоянных теплофизических свойствах материала) или нелинейными, если свойства материала модели зависят от температуры. Теплофизические свойства большинства ма­териалов зависят от температуры, поэтому обычно задача нелинейна. Лучи­стый теплообмен на поверхности модели также делает задачу нелинейной.

При решении за­дач нестационарного теплообмена определяются температуры и другие тепловые величины, которые изменяются с течением времени. Обычно инженеры исполь­зуют температуры, которые являются результатом решения нестационарных теп­ловых задач, при расчете термических напряжений. Задачи нестационарного теп­лообмена встречаются во многих инженерных приложениях, таких, как сопла, де­тали двигателей, насосов, сосудов под давлением и т.п.

При решении задач нестационарного теплообмена выполняются, в основ­ном, такие же процедуры, как при решении стационарных задач. Главное разли­чие состоит в том, что большинство граничных условий в нестационарных задачах являются функцией времени. При определении зависимых от времени граничных условий Вы можете использовать или функциональную зависимость, или пред­ставить эту зависимость в виде кривой, или разделить эту кривую на шаги.

При проведении теплового расчета необходимо решить следующие три главные задачи:

• построить модель;

• приложить граничные условия и получить решение;

• проанализировать полученные результаты.

В следующих разделах рассказывается о том, что Вы должны сделать для решения тепловых задач. Представлено общее описание шагов, ко­торые необходимо выполнить для решения каждой задачи.