авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Погрешности и условия применения импульсных методов определения теплофизических характеристик материалов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Кац Марк Давыдович

погрешности и условия применения

импульсных методов определения теплофизических характеристик материалов

Специальность 01.04.14 – теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Томск –2009

Работа выполнена на кафедре автоматизации теплоэнергетических процессов ГОУ-ВПО «Томский политехнический университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Кузнецов Гений Владимирович
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Борзых Владимир Эрнестович доктор физико-математических наук, профессор Крайнов Алексей Юрьевич
Ведущая организация: Московский институт теплотехники
Защита состоится 22 сентября 2009 года в 14 часов 30 минут на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций
ДС 212.025.01 при Томском политехническом университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, ауд. 228 (10 корпус ТПУ)
С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке Томского политехнического университета
Автореферат разослан ____ _________________2009 года.
Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций О.Ю. Долматов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В настоящее время ежегодно создаются новые конструкционные материалы, важнейшими характеристиками которых являются теплофизические (ТФХ): удельная теплоемкость коэффициенты теплопроводности и температуропроводности . В связи с растущими объемами испытательных, исследовательских и производственных задач в энергетике, машиностроении и строительстве постоянно разрабатываются новые и совершенствуются известные высокотехнологичные методы определения ТФХ.

В последние десятилетия большой интерес вызывает метод лазерного импульса (Parker,s method, Flash method, метод лазерного импульсного нагрева), сущность которого состоит в поглощении в тонком слое нагреваемой («горячей») поверхности образца импульса энергии и регистрации изменения во времени температуры его обратной («холодной») поверхности. Полученная по итогам экспериментов информация позволяет рассчитать теплофизические характеристики исследуемого материала.

Метод лазерного импульсного нагрева постоянно совершенствуется, а также расширяется перечень материалов, для которых с его использованием определяются ТФХ (металлы и сплавы, изоляционные, биологические, анизотропные, пленочные, частично прозрачные материалы, а также жидкие металлы, жидкости и расплавы солей, двухслойные системы). В японском институте метрологии изучается возможность применения этого
метода для эталонного измерения коэффициента температуропроводности.



Однако практическая реализация метода лазерного импульса не соответствует его математической модели, в основе которой лежит приближенное решение нестационарной одномерной задачи теплопроводности для пластины при бесконечно малой продолжительности воздействия на нее лазерного луча с однородной энергетической плотностью и при отсутствии теплообмена с окружающей средой. Анализ литературы по рассматриваемой проблеме показал, что математическая постановка задачи, лежащая в основе метода лазерного импульсного нагрева, является источником методических погрешностей, которые необходимо учитывать в реальном эксперименте.

Основные погрешности определения ТФХ материалов импульсным методом лазерного воздействия обусловлены явными и неявными предположениями, сделанными при постановке задачи. Это ограничения по условиям теплообмена на границах; допущения о неограниченной величине теплового потока лазерного излучения к нагреваемой поверхности, бесконечно малой длительности теплового импульса, пространственной однородности теплового потока; одномерности процесса теплопереноса в образце.

Влияние длительности импульса и теплоотвода с «холодной» и «горячей» поверхностей образца исследовались и ранее, но при этом использовались, в основном, одномерные модели, в которых не учитывались неодномерность процесса теплопереноса в образце, локальность импульсного воздействия и другие значимые факторы. Математическое моделирование температурных полей в образце в условиях реальных экспериментов может стать основным методом анализа как погрешности определения ТФХ методом импульсного лазерного нагрева, так и выделения реального диапазона изменения параметров эксперимента, при которых возможно достоверное определение ТФХ. Соответственно, анализ погрешностей этого метода c применением двухмерной и трехмерной моделей нестационарного процесса теплопроводности в образце материала при проведении эксперимента является актуальной задачей, имеющей как фундаментальное, так и прикладное значение.

Цель диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является теоретический анализ погрешностей и условий применения импульсных методов определения ТФХ материалов при помощи математического моделирования нестационарных процессов теплопроводности в образцах материалов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

    1. Анализ влияния конвективного и лучистого теплообмена на нагреваемой и «холодной» поверхностях образца на результаты определения теплофизических характеристик.
    2. Исследование влияния типа материала на достоверность определения ТФХ.
    3. Оценка влияния длительности импульса на результаты определения теплофизических характеристик.
    4. Анализ влияния локальности воздействия в условиях энергетической однородности лазерного луча на результаты определения ТФХ.
    5. Исследование влияния локальности воздействия и энергетической неоднородности лазерного луча на результаты определения теплофизических характеристик.
    6. Анализ влияния неодномерности процесса теплопереноса в материале на результаты определения ТФХ.

Научная новизна работы.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

– впервые сформулирован подход к анализу погрешностей и условий применения импульсных методов определения ТФХ материалов, в основе которого лежит численное моделирование реальных температурных полей, формирующихся в образцах в процессе экспериментов, из решения нестационарной задачи теплопроводности с нелинейными граничными условиями при высоких градиентах температур в приповерхностном слое образца, высоких темпах нагрева, локальности теплового воздействия и сравнение вычисленных по результатам численных экспериментов значений теплофизических характеристик материалов с истинными;

– численно исследовано влияние основных параметров (плотности теплового потока, времени воздействия лазерного луча, локальности нагрева, условий теплообмена с окружающей средой) на погрешности экспериментального определения ТФХ импульсным методом лазерного нагрева;

– установлены границы диапазонов возможного изменения величины импульсного теплового потока к поверхности материала, продолжительности импульса, геометрических размеров образцов, обеспечивающих достоверность полученных результатов в зависимости от типа материала.

Практическая значимость работы.

Внесен вклад в развитие представлений о режимах проведения экспериментов по определению ТФХ методом лазерного импульсного нагрева. Проведен теоретический анализ погрешностей по определению теплофизических характеристик импульсными методами. Результаты диссертационной работы являются теоретической основой для определения параметров и границ применения импульсных методов.

Защищаемые положения:

  1. Новый подход к анализу погрешностей и условий применения импульсных методов определения ТФХ материалов, в основе которого лежит численное моделирование реальных температурных полей, формирующихся в образцах в процессе экспериментов, из решения нестационарной задачи теплопроводности с нелинейными граничными условиями при высоких градиентах температур в приповерхностном слое образца, высоких темпах нагрева, локальности теплового воздействия и сравнение вычисленных по результатам численных экспериментов значений теплофизических характеристик материалов с истинными. Этот подход на этапе выбора методики экспериментального определения теплофизических характеристик материалов позволяет оценить как возможность применения импульсного метода для конкретного материала, так и величины методических погрешностей, характерные для этого метода и соответствующего материала.
  2. Результаты численного анализа погрешностей метода лазерного импульсного нагрева в одномерной постановке, которые позволяют сделать обоснованное заключение о существенных ограничениях по толщинам образцов и видам материалов.
  3. Результаты численного анализа погрешностей метода лазерного импульсного нагрева в двухмерной постановке, позволяющие сделать выводы о масштабах погрешностей в определении ТФХ материалов, обусловленных неодномерностью процесса реального теплопереноса в образце при проведении эксперимента, локальностью лазерного воздействия и неоднородностью плотности теплового потока лазерного импульса.
  4. Результаты численного анализа погрешностей метода лазерного импульсного нагрева в трехмерной постановке, на основании которых можно сделать обоснованное заключение о том, что методические погрешности реально оцениваются только при решении нестационарной пространственной задачи теплопроводности и составляют в реальных условиях по коэффициентам теплопроводности и удельной теплоемкости от 4 % до 180 % от численного значения определяемых величин (в зависимости от отношения площадей зоны лазерного нагрева и поверхности образца).

Достоверность полученных результатов.

Обоснованность и достоверность численных исследований следует из проведенных проверок на сходимость и устойчивость решений на множестве сеток, а также подтверждается сравнением результатов, полученных при решении задачи теплопроводности при импульсном лазерном нагреве аналитическим путем и численно. Полученные в диссертационной работе численные результаты моделирования для простейших постановок соответствуют аналитическому решению задачи импульсного нагрева.

Личный вклад автора.

Все работы по теме диссертации осуществлены автором или при его основном участии: постановка нестационарной задачи теплопроводности с нелинейными граничными условиями при высоких градиентах температур в приповерхностном слое образца, темпах нагрева и локальности теплового воздействия; выбор методов и разработка алгоритма её решения; определение численных значений величины и продолжительности теплового потока; проведение теоретических исследований влияния различных факторов на погрешности определения теплофизических характеристик методом импульсного лазерного нагрева; обработка и анализ полученных результатов, формулировка основных выводов диссертационной работы.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 8-й конференции «Теплофизика и
гидродинамика технологических процессов» (Томск, 1989),
4-й Всероссийской научно- технической конференции "Энергетика: Экология, Надежность, Безопасность" (Томск, 1998), 14-й Всероссийской научно- технической конференции "Энергетика: Экология, Надежность, Безопасность" (Томск, 2008), «Современные технические системы и технологии» (Севастополь, 2008), «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2009).





Публикации.

Основные результаты, полученные при выполнении диссертации, опубликованы в 15 работах, в числе которых одно авторское свидетельство на изобретение, одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, пять статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, четыре статьи депонированы ВИНИТИ. Также опубликованы материалы в сборниках трудов трех Всероссийских конференций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель работы, показана новизна и практическая значимость полученных результатов, представлены положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ современного состояния проблемы погрешностей и условий применения импульсных методов определения ТФХ материалов. Показано, что возможности аналитических или приближенных решений не позволяют учитывать такие важнейшие факторы, как нелинейные эффекты, связанные с теплоотводом с нагреваемой и «холодной» поверхностей образца материала за счет излучения, локальность теплового воздействия лазерного импульса, неоднородность процессов теплопроводности в образце.

Отмечено, что во всех публикациях по применению импульсных методов определения ТФХ материалов в качестве примеров рассматриваются задачи для материалов с высокой теплопроводностью (металлы и сплавы). В реальной же практике наибольший интерес представляют теплофизические характеристики новых неметаллических материалов, для которых существуют жесткие ограничения по максимально допустимым температурам разогрева.

Во второй главе приведена методика исследований по сформулированной проблеме, сущность которой заключается в решении комплекса задач теплопроводности, соответствующих реальным условиям экспериментов (неоднородность теплопереноса в образце, локальность воздействия лазерного луча, ограниченность мощности лазерного воздействия, распределение энергии излучения по поперечной координате и др.) по определению ТФХ материалов импульсными лазерными методами. Учет факторов, соответствующих реальным условиям экспериментов, исключает возможность применения аналитических или приближенных методов решения задач теплопроводности. Поэтому все исследования проводились методом численного моделирования процессов теплопроводности в образцах материалов. Решение всех задач выполнено методом конечных разностей.

Анализ влияния группы факторов на погрешности определения теплофизических характеристик материалов проводился на основе одномерной, двухмерной и трехмерной моделей теплопроводности для области решения с неоднородными и нестационарными граничными условиями.

Представлены физическая и математическая постановка задачи при лазерном нагреве поверхности образца материала тепловым потоком конечной величины и продолжительности импульса. Рассматривается нестационарная нелинейная задача теплопроводности материала при локальном воздействии на его поверхность теплового импульса конечной величины и временной протяженности. Температура исследуемого материала в начальный момент времени постоянна и равна . Участок «горячей» поверхности () нагревается импульсом энергии теплового потока q
(рис. 1). При этом происходит нагрев приповерхностного слоя материала с дальнейшим процессом теплопереноса внутри образца. Учитывается теплообмен с окружающей средой за счет конвекции и излучения. Вклад радиационной теплопередачи с поверхностей материала определен законом Стефана-Больцмана, что приводит к рассмотрению нелинейных граничных условий. При постановке задачи приняты следующие допущения:
1) материал образца однородный и гомогенный;
2) теплофизические параметры материала не зависят от температуры. Учитывались основные физические процессы, протекающие при воздействии импульсного лазерного излучения на материалы: теплообмен с окружающей средой, локальность и пространственная неоднородность лазерного воздействия, продолжительность импульса нагрева, неодномерность процесса теплопереноса в материале. Соответственно решения задач рассматривались в одномерной, двухмерной и трехмерной нестационарных постановках.

Проведен анализ погрешностей определения ТФХ материалов импульсным методом по результатам решения одномерной задачи теплопроводности (рис. 2) при воздействии теплового импульса на поверхность (х=0) бесконечной пластины при двух вариантах граничных условий:
1) отсутствие теплообмена с окружающей средой; 2) теплообмен за счет конвекции и излучения с окружающей средой. Особенностями решаемой задачи являются конечные значения теплового потока q и времени его действия , а также нелинейность граничных условий.

Анализ влияния трех ранее не рассматривавшихся факторов (неодномерность процесса теплопереноса в материале, обусловленная локальным воздействием лазерного луча постоянной энергетической плотности; влияние теплообмена с поверхностей образца при локальном воздействии лазерного луча постоянной энергетической плотности; учет воздействия лазерного луча переменной по его сечению энергетической плотности) на погрешности определения ТФХ материалов импульсным методом сводится к решению двухмерной задачи теплопроводности при воздействии теплового импульса на поверхность (х=0) пластины. Область решения задачи представляет пластину толщиной L и шириной Н (рис. 3), участок (х=0) которой нагревается мощным импульсом энергии q на участке . Математическая постановка задачи, учитывающая теплообмен с поверхностей образца конвекцией и излучением, включает в себя двухмерное нестационарное уравнение теплопроводности с соответствующими начальным и граничными условиями.

При постановке задачи в трехмерной постановке учитывались не рассматривавшиеся ранее факторы: 1) неодномерность процесса теплопереноса в образце конечных размеров, обусловленная локальным воздействием лазерного луча постоянной энергетической плотности при отсутствии теплообмена с окружающей средой; 2) влияние теплообмена с поверхностей образца при локальном воздействии лазерного луча постоянной энергетической плотности; 3) учет воздействия лазерного луча переменной по его сечению энергетической плотности. Область решения представляет пластину в форме прямоугольного параллелепипеда толщиной L, шириной Н и высотой W. Участок поверхности x=0 нагревается импульсом энергии q (рис. 1). Задача сводится к решению трехмерного нестационарного уравнения теплопроводности (1) с граничными (2)–(9) и начальным (10) условиями при учете конвективного теплообмена с поверхностей образца и интенсивности импульса энергии :



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.