Файл: Несенчук А.П. Пламенные печи для нагрева и термообработки металла учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 234
Скачиваний: 4
5.5.3. НАГРЕВАНИЕ СИСТЕМЫ МАССИВНЫХ ТЕЛ КЛАССИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ ТЕРМОФИЗИЧЕСКИХ КОНСТАНТАХ
( — < 0 ,1 И В І ^ В І к р j
Строгое решение задачи о нагреве и охлаждении многослойных тел представляет определенные трудности. Поэтому в настоящее время разработано много различных методов упрощенного решения задач теплопроводности. Наиболее ценным приближенным реше нием уравнения теплопроводности является метод конечных разно стей (метод сеток).
Метод конечных разностей основан на замене производных их приближенным значением, выраженным через разности значений функций в определенных точках-узлах сетки. Окончательный резуль тат решения дается выражением, по которому последующее значе ние температуры в данной точке является функцией времени и на чальной температуры данной и смежных ей точек (узлов сетки.)
Рассмотрим, как представляются первая и вторая производные функции f(x) через разностные отношения. Если через а; обозна чить угол наклона касательной к кривой, проведенной в точке А (рис. 5.8), то производная функция при х = х , соответствует танген су угла между направлением касательной и положительным направ лением оси абсцисс:
Уі ' = t g |
at. |
|
|
(5.79) |
|
Рассмотрим на кривой |
(рис. 5.8) |
две |
точки ß(x,-i, |
£/,_і) |
|
и D(x(+l, г/,+і). Разности Х і —Х і - I= |
X',+1—х * = А х достаточно |
малы. |
|||
Тогда угол ссі можно приближенно заменить углом ßi или у,-. |
|
||||
Имеем |
DE |
|
|
|
|
*/f'«tgßi = |
У г+ І |
У і |
(5.80) |
||
AE |
~ |
Ax |
|
||
|
|
|
|||
|
AC |
У і |
У і —1 |
(5.81) |
|
y /« t g Y i= |
■BC |
~ |
Ax |
|
Если угловой коэффициент касательной FD заменить угловым коэффициентом секущей, то будем иметь
и/ ~ |
Уш Уі~1 |
(5.82) |
Уі = |
2Дх |
|
Правая часть уравнения (5.82) называется симметричным разност ным отношением.
Приближенное выражение второй производной функции f(x) при х= Х і можно получить, заменив кривую на участке BD ломаной линией BAD, имеющей в точке А два наклона:
“ h ( |
У і +і У і |
Уі— Уі- 1 |
\ |
Уі+і— Уі- i 2уі |
lc OON |
Ах |
— ~ > |
= |
-------(дЩ ------- |
' (5'83) |
128
Метод замены производных разностными отношениями наибо лее часто используется при численном интегрировании уравнений теплопроводности.
Рассмотрим дифференциальное уравнение одномерного темпе ратурного поля плоской стенки
ді(х, т) _ |
дЧ(х, т) |
(5.84) |
дх |
( х ^ 0 < Х ) |
|
а дх2 |
|
Так как функция t(х, т) зависит от двух переменных х и т, то можно использовать прямоугольную сетку (рис. 5.9). На оси абсцисс откладывается отрезок длиной X , который делится на отдельные
ГПАІ |
[ п,т+і |
|
Ряд(т+1) |
іп,щА(пм7нг,т |
Рядт |
||
И |
п,тч |
|
Ряд(т-1) |
ч |
АХ A t |
|
|
Wч |
|
|
|
|
П А Х |
|
|
Рис. 5.9. Схема расчета |
по прямо |
||
|
угольной сетке |
|
|
слои толщиной Ах. По оси ординат откладываем отрезки, пропор циональные промежуткам времени Ат. Проведя через узлы на ко ординатных осях прямые, параллельные этим осям, получим прямо угольную сетку. Значения температуры в узлах, находящихся на осях координат и на прямой, отстоящей от начала координат на рас стоянии X, записываем исходя из начального и граничных условий.
Обозначим истинную температуру в точке сетки с координатой пДх в момент времени тДт через tn, т. Буквой п обозначаем поряд ковый номер слоя (считая от начала координат), а буквой т —
номер промежутка времени (величиной Ат) с момента, принятого за нуль отсчета.
Частные производные в выбранной точке заменим через разно стные отношения (5.80) — (5.83):
|
d tn , т |
І Пі 7п+1 Іп , m |
|
дх |
(5.85) |
|
Ат |
|
дЧп, т |
Іп —1, m ~\~tn+i, то 2 tп, т |
|
дх2 |
= |
(5.86) |
(Дх)2 |
||
Тогда дифференциальное уравнение (5.84) для узла А (рис. 5.9) |
||
заменится соотношением |
|
|
Іп, то+1 |
Іп , : |
tn—l, m ~\~tn+1, то 2 tn , ■ |
At |
|
(5.87) |
|
(Дх)2 |
9 З а к . 354 |
129 |
или
tn, 7П+1— |
[ 1 |
(Д ^ у і ] ^п> |
( A x ) 2 |
m) • |
(5.88) |
|
|
|
(Л*)2 |
|
|
Выбирая различным образом |
соотношения |
между Ал: и Ат, |
|||
формулу (5.88) |
можно значительно |
упростить. Так, приняв |
Д т= |
||
= {Ах)2/2а, получим |
|
|
|
||
|
|
tn—1, m~b^n+l, ; |
|
(5.89) |
|
|
|
tn, 7П+1--- |
|
|
|
или |
|
tn+1, т— 1 |
tn— 1, 7)1— 1 |
|
|
|
|
|
(5.90) |
||
|
|
— |
|
|
|
|
|
tn, т |
|
|
|
Выражение (5.90) называется формулой Э. Шмидта. Она имеет большое применение как при численном, так и при графическом решении задач нестационарной теплопроводности.
Формула (5.90) позволяет найти температуру для всех узлов горизонтального ряда (например, ряда т) по известной температуре в узлах предшествующего ряда (т—1). Так как начальными усло виями при г — 0 задается распределение температуры по сечению тела (известна температура в узлах, находящихся на оси абсцисс), то можно последовательно найти температуры в узлах первого, вто рого и последующих рядов.
Рассмотренная сетка (рис. 5.9) удобна для численного интегри рования дифференциального уравнения (5.84) при граничных усло виях первого рода (в любой момент времени известна температура на поверхности тела), так как в этом случае граничные прямые х = 0 и Х = 0 принадлежат самой сетке.
При рассмотрении многослойных стенок можно использовать рассмотренный выше метод численного интегрирования. При этом толщина одного из слоев принимается за основную, а толщина остальных слоев многослойной стенки приводится к эквивалентным значениям, используемым для расчета. Так, если рассматривается трехслойная стенка, то эквивалентные толщины второго и третьего слоев (первый принят за основной) можно приближенно определить из выражений
|
•^ 2 эк в — |
Хо ■к2 |
^Зэкв— Х з |
кі |
(5.91) |
|
|
Хз ’ |
|||||
где |
х2 и Хз — действительная толщина слоев, м; |
слоев, |
||||
|
кі, к2 и кз — коэффициенты |
теплопроводности этих |
||||
|
ккал/м-н-°С (вт/м-°К). |
|
||||
В |
нашем случае |
(трехслойная |
стенка) расчетные |
участки |
||
(по толщине) для второго и третьего слоев составят: |
|
|||||
|
|
(Ах)ікі-і/ |
а2 |
|
||
|
(Д хЬ к в - |
І2 |
I — |
|
130
и
(А*) зэкв= (Af |
- - ] / |
йі |
(5.92) |
Лз |
г |
|
При этом справедливой оказывается зависимость (5.90) для рас чета температуры в каждом из слоев эквивалентной стенки.
Температура на границе раздела слоев многослойной стенки рассчитывается исходя из следующих зависимостей. Для определе ния температуры на границе раздела первого и второго слоев ис пользуем соотношение
І р , n — t o { ^ X ) 2 экв, m : = t 1(Ах)гэкв, |
|
1, m—1 ^і (Ах) 2Экв, т—l] Kl. |
(5 .9 3 ) |
где р — номер расчетного участка (Ax)t первого слоя, примыкаю щего ко второму слою многослойной стенки;
д . _______ (Ах)гэкв_____
(Ах) 1экв~Ь (Ах) 2экв
Температура на границе раздела второго и третьего слоев
is, т — *о(Дх) Зэкв, m = = tl (Ах) зэкв, |
|
“bUs—1, m—i— (Ax) зэкв, m—l] K2, |
(5.94) |
где s — порядковый номер расчетного участка (Дх)2 второго слоя, примыкающего к третьему слою составной стенки;
д.(Ах) зэкв
(Ах) 2ЭКВ-1"~(Ах) зэкв
Чтобы определить температуру наружной поверхности состав ной стенки, можно использовать приближенный метод, который состоит в том, что процесс внешнего теплообмена заменяется про цессом теплопроводности в дополнительном фиктивном слое с тер мическим сопротивлением, равным термическому сопротивлению теплоотдаче. В этом случае температура наружной поверхности мо жет быть найдена из выражения
tq, |
ißq—1, тп—i tf)Кз, |
(5.95) |
где q — порядковый номер расчетного участка |
(Ах) зэкв наружно |
|
го слоя многослойной стенки; |
|
|
^ |
“2 |
|
Л з = |
----------------- 1 |
|
(Ах) зэквН-------
«2
9* |
І31 |