2.4. Умови однозначності, необхідні для вирішення рівняння Фур'є

ДРтеплопровідності має незліченну безліч рішень. Для виділення єдиного вирішення цього рівняння, відповідного єдиному явищу теплопровідності, мають бути задані наступні параметри:

1. Геометричні розміри і форма тіла, а також часτдля нестаціонарного процесу. Відмітимо, що час процесу може бути заданий неявно по якій-небудь додатковій умові, наприклад, нагріванняабо охолоджування тіла до досягнення теплової рівноваги з довкіллям;

2. Фізичні властивості речовини (коефіцієнт теплопровідностіλ, питома об'ємна теплоємністьс'(або питома масова теплоємністьс), щільністьρ, коефіцієнт температуропровідностіа);

3. Закон розподілу внутрішніх джерел теплотиq_v (x_i, τ). У окремому випадку ;

4.Краєві умови (КУ) задають початковий розподіл температури в заданійрозрахунковійобласті (ПУ) і умови теплообміну награниці цієї області (ГУ).

2.4.1. Початкові умови (пу)

Перед початком розрахунку процесу нестаціонарної теплопровідності необхідна інформація про розподіл температури в об'ємі тіла в деякий момент часу, що вважається початком відліку, або початковим моментом часу (момент часуτ = 0). Т.ч., має бути задана функція

або

де – система координат.

У окремому випадку одновимірного і рівномірно розподіленого в об'ємі тіла початкового температурного поля ПУ мають вигляд:

Т (х, 0) = Т₀= const.

Відмітимо, що для завдань стаціонарної теплопровідності завдання початкових умов не має сенсу.

2.4.2. Граничні умови (гу)

_{У розрахунках теплообміну застосовують граничні умови чотирьох типів, які називають родами. Граничні умови теплообміну необхідно задавати як на зовнішній поверхні тіла (зовнішні ГУ), так і при розташуванні кордону розрахункової області усередині тіла, на внутрішній поверхні (внутрішні ГУ). Граничні умови першого і другого родів можуть бути як зовнішніми, так і внутрішніми, граничні умови третього роду – лише зовнішні граничні умови, граничні умови четвертого роду – лише внутрішні граничні умови.}

_{Граничні умови першого роду}

_{За граничних умов I-го роду задають значення температури на границі розрахункової області:}

,

де індекс w означає "границю";– координатиграницізаданої розрахункової області. У окремому випадку ця температура після миттєвої зміни до температуриT_wможе залишатися незмінною в часі і не змінюватися уздовжграниці:

.

_{Граничні умови другого роду}

При граничних умовах II-го роду задають значення щільності теплового потоку на границі розрахункової області:

,

де індекс w означає "границю"; – координатиграницізаданої розрахунко-вої області.

З врахуванням закону Фур'є ГУ II-городу можна записати таким чином

,

де n– координата, направлена по нормалі дограниці розрахункової області.

У окремому випадку щільність теплового потоку q_wможе не змінюватися уздовжграницірозрахункової області і бути постійною в часі:

.

_{Граничні умови третього роду}

За граничних умов III-го роду задають температуру зовнішнього середовища, що оточує тіло, і закон теплообміну між середовищем і поверхнею тіла. Граничні умови третього роду є найбільш загальними і часто використовуваними в практиці розрахунків ГУ. Як закон теплообміну між довкіллям і поверхнею тіла найчастіше в інженерних розрахунках використовують закон тепловіддачі – закон Ньютона

де – коефіцієнт тепловіддачі (пригадаємо, що в загальному випадку тепловіддача відбувається конвекцією і випромінюванням); T_f – температура флюїда; T_w – температура поверхні тіла.

З врахуванням закону Фур'є ГУ III-городу можна записати таким чином

,

де знак + або – в законі Фур'є залежить від вибору початку системи координат.

У розрахунках теплопровідності використовують безрозмірну форму запису граничних умов третього роду

,

де – безрозмірна температура; – безрозмірна координата, перпендикулярна поверхні теплообміну; R – характерний (визначаючий) розмір тіла; – критерій Біо (Biot); λ_w – коефіцієнт теплопровідності тіла.

Критерій Біо – визначальний критерій в завданнях теплопровідності, тобто від його величини залежить інтенсивність процесу теплопровідності. Фізичний сенс критерію Біо можна розкрити, записавши його формулу у вигляді

,

тобто, критерий Біо характеризує:

а) відношення інтенсивності зовнішнього теплообміну () до інтенсивності внутрішнього теплообміну(/R);

або

б) відношення термічного опору теплопровідності(R/) до термічного опору конвективної тепловіддачі(1/).

Граничні умови четвертого роду

Граничні умови IV-городу задають умови теплообміну награниці ідеального контакту двох тіл, що складаються з різної речовини з різними фізичними властивостями. В цьому випадку в зоні ідеального контакту в обох тіл рівні температури і теплові потоки

, або, використовуючи закон Фур'є, .