МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технический институт

Кафедра теплоэнергетики и теплотехники

Физическое моделирование процессов передачи теплоты

Учебное пособие

Направления подготовки:

13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника (бакалавриат);

13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника (магистратура);

Череповец – 2015

Рассмотрено на заседании кафедры теплоэнергетики и теплотехники, протокол № 3 от 23.10.2014.

Одобрено учебно-методической комиссией Инженерно-технического института ЧГУ, протокол № 3 от 28.10.2014.

Составитель: С.В. Лукин  д-р техн. наук, доцент

Рецензенты: Ю.П. Осипов  д-р техн. наук, профессор (ВоГУ);

Е.А. Шестакова  канд. техн. наук, доцент (ЧГУ)

Научный редактор: Р.А. Юдин  д-р техн. наук, профессор (ЧГУ)

 Лукин С.В., 2014

ФГБОУ ВПО «Череповецкий

государственный университет», 2014

Предисловие

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 13.03.01 – «Теплоэнергетика и теплотехника» (бакалавриат), 13.04.01 – «Теплоэнергетика и теплотехника» (магистратура).

Цель пособия – получение теоретических знаний по дисциплине «Физическое моделирование процессов передачи теплоты». В данной дисциплине основное внимание уделяется экспериментальному исследованию сложных процессов теплопередачи, которые не могут быть на настоящем этапе исследованы методами математического моделирования. Экспериментальное исследование этих процессов является также необходимым при проверке адекватности разработанных математических моделей передачи теплоты.

Пособие охватывает следующие разделы физического моделирования: основы теории подобия, физическое моделирование процесса теплопроводности, физическое моделирование движения жидкости, физическое моделирование конвективного теплообмена. Пособие составлено в соответствии с программой курса «Физическое моделирование процессов передачи теплоты» для указанных специальностей. После каждого раздела приведены вопросы для самоконтроля, выводы по главе и список литературы по теме. В конце пособия приведен общий список литературы.

Помимо лекций, изучение курса «Физическое моделирование процессов передачи теплоты» сопровождается проведением лабораторных занятий и решением практических задач. Преподавателями кафедры теплоэнергетики и теплотехники Череповецкого государственного университета разработаны учебно-методические материалы для проведения лабораторных и практических занятий по данному курсу. Поэтому, в данном пособии опущены числовые примеры и подробное рассмотрение экспериментальных методик и установок.

Введение

Теплота самопроизвольно может передаваться в среде теплопроводностью, конвекцией и излучением. Внутри твердых тел теплота передается путем теплопроводности (внутренний теплообмен). В текучих средах (жидкостях и газах) теплота передается теплопроводностью и конвекцией (конвективный теплообмен). В вакууме и газах теплота передается излучением (радиационный теплообмен).

Теплообмен между поверхностью твердого тела и окружающей средой называется внешним теплообменом (рис. 1), который может осуществляться путем конвективного теплообмена (теплоотдачи) и излучения. В качестве окружающей среды могут выступать жидкости, газы, вакуум, отделяющие данное тело от других тел.

Рис. 1. Внешний и внутренний теплообмен.

При физическом моделировании вместо процессов теплопередачи, протекающих в реальном объекте (образце) исследуют процессы теплопередачи, протекающие в физической модели, заменяющей образец. Физическая модель – реальный предмет, как правило, геометрическая копия образца. При исследовании теплопередачи способом физического моделирования требуется проводить измерения температур, скоростей, расходов, давлений на физической модели, определять тепловые потоки, и полученные результаты распространять на реальный объект.

При математическом моделировании реальный объект заменяется идеальной моделью – системой математических уравнений, описывающих рассматриваемые явления, и исследование заключается в решении этой системы уравнений при соответствующих условиях.

Математическое моделирование стало широко применяться с развитием ЭВМ, что связано с его несомненными достоинствами:

 отсутствием материальных затрат на создание образца, на покупку и установку приборов, на проведение натурных исследований;

 экономией времени при исследованиях (расчетные исследования, как правило, занимают меньше времени, чем натурные исследования);

 возможностью широкого варьирования исходных данных при проведении расчетных исследований;

 возможностью задания переменных теплофизических свойств и граничных условий.

Однако, математическое моделирование имеет свои недостатки, которые отсутствуют при физическом моделировании:

 необходимость подтверждения адекватности разработанной математической модели, т.е. доказательства того, что система уравнений описывает изучаемые явления правильно с качественной и количественной стороны;

 разработка специального программного обеспечения для численного решения системы уравнений, требующая затраты времени и умственного труда;

 сложность или невозможность решения системы уравнений при данном уровне развития вычислительной техники и расчетных методов;

 сложная геометрическая форма рассматриваемого объекта.

Особую сложность при математическом моделировании представляет изучение трехмерных полей температуры, скорости, давления, когда требуются высокая скорость быстродействия вычислительных машин.

Таким образом, физическое моделирование следует применять там, где математическое моделирование не может дать удовлетворительных результатов, или же для проверки адекватности разработанных математических моделей.

Физическое моделирование основано на использовании теории подобия, устанавливающей безразмерные численные комплексы (критерии подобия), составленные из физических величин. Чтобы результаты исследований, полученные на модели, можно было применить к образцу, необходимо, чтобы в модели и образце протекали подобные процессы. Основные понятия теории подобия рассмотрены в следующем разделе.