- •Введение
- •Теория теплопроводности
- •Механизмы переноса тепла
- •Методы изучения физических явлений
- •Температурное поле
- •Тепловой поток. Закон Фурье
- •Коэффициент теплопроводности
- •Дифференциальное уравнение теплопроводности
- •Уравнение теплопроводности
- •Лекция № 2 Условия однозначности для процессов теплопроводности
- •Граничные условия:
- •Теплопроводность в стационарном режиме
- •Многослойная стенка
- •Переменный коэффициент теплопроводности
- •Линейная плотность теплового потока:
- •Критический диаметр цилиндрической стенки
- •Передача теплоты через шаровую стенку
- •Плотность теплового потока
- •Теплопроводность при наличии внутренних источников теплоты
- •Теплопроводность однородной пластины
- •Теплопроводность однородного цилиндрического стержня
- •Нестационарные процессы теплопроводности
- •Аналитическое описание процесса
- •Анализ полученного решения
- •Охлаждение длинного прямоугольного стержня
- •Охлаждение цилиндра конечной длины
- •Приближенные методы решения задач теплопроводности
- •Метод конечных разностей
- •Численные методы решения задач теплопроводности при нестационарном режиме
- •Метод конечных элементов
- •Исследование процессов теплопроводности методом аналогий
- •Электротепловая аналогия
- •Конвективный теплообмен Основные понятия и определения
- •Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена
- •Уравнение энергии
- •Уравнения движения
- •Уравнение сплошности
- •Гидродинамический и тепловой пограничные слои
- •Уравнение теплоотдачи.
- •Тепловой пограничный слой
- •Подобие и моделирование процессов конвективного теплообмена
- •Приведение математической формулировки краевой задачи к записи в безразмерной форме
- •Аналогично преобразуем и уравнение движения
- •Граничные условия
- •Условия подобия физических процессов
- •Следствия из условий подобия
- •Обработка результатов опыта
- •Теплоотдача при вынужденном продольном омывании плоской поверхности
- •Интегральные уравнения пограничного слоя
- •Теплоотдача при ламинарном пограничном слое
- •Нагрев диэлектриков в электромагнитном поле. Электромагнитное поле в диэлектрике.
- •Плоская электромагнитная волна в диэлектрике
- •Используя соотношения
- •Решение уравнения (1) имеет вид
- •Виды поляризации
- •Зависимости ε и tg δ от частоты и температуры
- •Температурные характеристики релаксационной поляризации
- •Структура электродугового разряда
- •Характеристика приэлектродных областей и протекающих в них процессов
- •Выделяющаяся на аноде мощность
- •Мощность, выделяющаяся на катоде
- •Электроды дуговых установок
- •Термохимический катод
- •Основные закономерности электродугового столба
- •Особенности дуги переменного тока
- •Устойчивость и регулирование параметров электрической дуги
- •Способы зажигания дуги
- •Процессы переноса в дуговых и плазменных электротехнологических установках
- •Физико-технические основы электронно-лучевого нагрева
- •Основы расчета устройств формирования электронных пучков элу
- •Потери энергии электронного пучка и энергетический баланс элу
- •Основы лазерного нагрева. Основные принципы работы лазеров
- •Типы оптических квантовых генераторов
- •Лазеры твердотельные с оптической накачкой
- •Основы технологии светолучевой обработки
- •Литература
Исследование процессов теплопроводности методом аналогий
Метод аналогий относится к числу экспериментальных методов исследования процессов теплопроводности. При этом исследование тепловых явлений заменяется изучением аналогичных явлений, так как число их экспериментальное изучение проще осуществить, чем непосредственное исследование тепловых процессов.
Сходство аналогичных явлений состоит в одинаковом характере протекания всех процессов. Математически аналогичные явления описываются формально одинаковыми дифференциальными уравнениями и условиями однозначности. Однако физическое содержание и размерность входящих в них величин различны. Аналогичные явления наталкивают на философские размышления о единстве многих физических явлений, о наличии непознанных пока всеобщих законов физических процессов.
Электротепловая аналогия
Явления теплопроводности и электропроводности описываются следующими уравнениями:
,
где dQ и dI – элементарные потоки теплоты и электричества; прошедшие в единицу времени через площадки dFт, dFэ в направлении нормалей nт и nэ; U и Т – электрический потенциал и температура; l и s - коэффициенты теплопроводности и электропроводности.
В случае двумерных стационарных задач тепло- и электропроводности и независимых от температуры параметрах l и s соответствующие дифференциальное уравнения имеют вид:
;
.
Эти уравнения имеют одинаковую структуру. Аналогичные явления должны протекать в геометрически подобных системах. Граничные условия также описываются аналогичными соотношениями.
- l GradT = aDT Þ
Þ - Grad T = DT/l/a = DT/lт – для тепловой задачи
-
Grad U = DU/lэ – для электрической задачи.
Записав уравнения и граничные условия в безразмерной форме, получим тождественные уравнения.
Вывод: таким образом, видим, что распределение температуры и электрического потенциала являются подобными, то есть имеет место аналогия.
При исследовании нестационарных процессов для одномерных областей исходные дифференциальное уравнения тепло- и электропроводности имеют вид
¶Т¶t = а ¶Т2/¶хт2; (1) Скорость протекания
процессов зависит
¶U¶t = 1/RэCэ ¶2U/¶xэ2, (2) от а и 1/RэCэ
где Rэ - электрическое сопротивление на единицу длины;
Cэ - электрическая емкость на единицу длины.
Эти коэффициенты, как и коэффициент температуропроводности, не должны зависеть от температуры.
Из уравнений (1) и (2) следует, что аналогия устанавливается, если выполняется условие:
Изменение теплового потока пропорционально изменению теплоемкости системы и изменению температуры:
dQ = cт¶T/¶tт dtт.
Изменение электрическое тока пропорционально емкости и изменению напряжения
dI = cэ ¶U/¶tэ dtэ
Следовательно, в модели теплоемкости могут быть воспроизведены соответствующими электрическими емкостями. Таким образом, можно моделировать процессы теплопроводности на электрических моделях.
При разработке электрических моделей, имитирующих процессы теплопроводности, применяются два способа:
-
электрические модели повторяют геометрию оригинальной тепловой системы и изготовляются из материала с непрерывной проводимостью (электропроводящее тело или жидкий электролит) – модели с непрерывными параметрами процесса;
-
электрические модели с сосредоточенными параметрами процесса. В них тепловые системы заменяются моделирующими электрическими цепями. Также модели применяются для наиболее сложных явлений.
Для изготовления моделей с непрерывными параметрами используются тонкие листовые электропроводящие материалы. Геометрия модели в точности воспроизводит геометрию исследуемой области. Получить распределение температуры экспериментально весьма затруднительно. Поэтому исследование проводят на модели. Для измерения напряжения используется контактный зонд с нулевым прибором.
Рассмотрим электрическую модель с сосредоточенными параметрами. В этом случае исследуемая тепловая область делится на ряд элементарных объемов. Тем самым исходные дифференциальные уравнения и уравнения, описывающие условия однозначности, заменяются уравнениями в конечных разностях. Моделирующая электрическая цепь представляется в виде отдельных электрических сопротивлений, имитирующих свойства элементов тепловой области. Используются проволочные модели (из реостатного провода).
Для моделирования нестационарного теплового состояния используются RC цепи.
d1/2 d2/2 Ra Rэ1 Rэ1 Rэ2 Rэ2
+
Тв, Т1
a; с1 с 2
-
d1 d2
Ra = 1/a;
Rэ1 = d1/2/l1; Rэ2 = d2/2/ l2.
Теплоемкости отдельных слоев воспроизводиться электрическими емкостями с1 и с2. Термические сопротивления поверхности моделируются сопротивлением Ra.
Электрическое моделирование получило широкое развитие. Применяя специальные нелинейные элементы (сопротивления) можно имитировать нелинейные граничные условия (теплообмен излучением).
Тепловая схема замещения. Тепловой закон Ома. Распределенные в пространстве теплофизические параметры заменяются сосредоточенными.