Анализ тепловых явлений

При решении тепловых задач вычисляются распределения температур (температурные поля) и соответствующие (рассматриваемой задаче) тепловые величины в рассчитываемой системе или ее части. Типичными тепловыми величинами, представляющими интерес при тепловом расчете, являются:

• — температурные поля;
• — количество подведенного или отведенного тепла;
• — градиенты температур;
• — плотности тепловых потоков.

Тепловое моделирование играет важную роль в многочисленных инженерных приложениях, включая нагнетатели и тепловые двигатели, теплообменники, высокои низкотемпературные теплотехнологические установки и т. д.

Существует два типа теплового анализа:

• 1. При решении стационарных тепловых задач определяются распределение температур (температурное поле) и другие тепловые величины при стационарных граничных условиях. Стационарные граничные условия означают ситуацию, когда их изменением можно пренебречь.
• 2. При решении нестационарных тепловых задач определяются температурное поле и другие тепловые величины при граничных условиях, которые изменяются в течение рассматриваемого периода времени.

При решении стационарных тепловых задач могут быть определены температуры, градиенты температур, тепловые потоки и плотности тепловых потоков в объектах, к которым приложены тепловые граничные условия, не изменяющиеся с течением времени. К таким условиям относятся:

• — конвекция;
• — лучистый теплообмен;
• — тепловой поток;
• — плотность теплового потока (тепловой поток, отнесенный к единице площади поверхности теплообмена);
• — интенсивность объемного тепловыделения (тепловой поток, выделяющийся в единице объема);
• — постоянная температура на границах.

Стационарные задачи могут быть линейными (при постоянных теплофизических свойствах материала) или нелинейными, если свойства материала модели зависят от температуры. Теплофизические свойства большинства материалов зависят от температуры, поэтому обычно задача нелинейна. Лучистый теплообмен на поверхности модели также делает задачу нелинейной.

При решении задач нестационарного теплообмена определяются температуры и другие тепловые величины, которые изменяются с течением времени. Обычно инженеры используют температуры, которые являются результатом решения нестационарных тепловых задач, при расчете термических напряжений. Задачи нестационарного теплообмена встречаются во многих инженерных приложениях, таких, как сопла, детали двигателей, насосов, сосудов под давлением и т. п.

При решении задач нестационарного теплообмена выполняются, в основном, такие же процедуры, как при решении стационарных задач. Главное различие состоит в том, что большинство граничных условий в нестационарных задачах являются функцией времени. При определении зависимых от времени граничных условий Вы можете использовать или функциональную зависимость, или представить эту зависимость в виде кривой, или разделить эту кривую на шаги.

При проведении теплового расчета необходимо решить следующие три главные задачи:

• — построить модель;
• — приложить граничные условия и получить решение;
• — проанализировать полученные результаты.

В следующих разделах рассказывается о том, что Вы должны сделать для решения тепловых задач. Представлено общее описание шагов, которые необходимо выполнить для решения каждой задачи.