Устройство для моделирования процесса распространения температурных полей в плоских и осесимметричных телах Советский патент 1985 года по МПК G06G7/56 

Изобретение относится к моделированию температурных полей в деталях тепловых машин и аппаратов.

Цель изобретения - упрощение процесса моделирования.

На фиг. 1 показана конструкция устройства; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1, модель цилиндровой втулки с термическими сопротивлениями для задания граничных условий.

Температурное поле в натурном осесимметричном теле описывается уравнением Фурье (индекс «н - натура).

де , эе

+

J г

аг Эг

ат

йнТн

где 6 - безразмерная температура;

Тн - время;

Гя - радиус втулки;

г, гит-соответственно относительные радиус, координата и время, с граничными .условиями

(l-e,)

Эй

Лн

Т.п

i, 2 - безразмерные температуры стенки со стороны газа и охлаждения а,г, а.ох-коэффициенты теплоотдачи от газа к стенке и от стенки в охлаждающую среду; Хн - коэффициент теплопроводности

материала модели; Т -температура;

г 7 Т Ь

н 7 yt 1 ff я ят-н

в модели тела, изготовленной в виде плоской пластины 1 (фиг. 1) из теплоемкого и теплопроводного материала, геометрически подобной по очертаниям поперечному сечению натурного тела, температурное поле FO опищется тем же уравнением Фурье в безразмерной форме, кроме критерия Фурье в правой части

F -

° ПяТм

(индекс М - модель, аи - коэффициент температуропроводности).

Граничные условия при подводе тепла к модели через термические сопротивления 2 и 3 (фиг. 1) пластин из того же полоскового материала, из которого изготовлена модель, запищутся в безразмерном виде так: -Хж. Ь (1 -ej)9ei .

дп

dQi

0,

tz bzjOd n

где li, Ь

- ДЛИНЫ пластин термических сопротивлений соответственно со стороны газа и охлаждения; bip - ширин участка термического сопротивления 2;

Ь| - ширина выреза в области 4 (фиг. 1) термического сопротивления 2;

Ь2 - ширины участков термического сопротивления 3 (на фиг. 1 не показаны).

Сравнивая уравнения натуры и модели, получают следующие критерии теплового моделирования:

Ги Гц bi . оСох Гн .., Гм Ъг. анТк н 1 bi,o Ля Ъг

откуда получают масштаб времени модели

См JH/IV 2

Тд а« Гя

и степень дискретности подвода тепла на границах

Ы, Гн . bi,o 1 Кп

Гм. У-ох я «2 К«

Ъг,о

Модель, например, цилиндровой втулки с граничными условиями показана на фиг. 2. Термическое сопротивление теплопередачи от «газа к стенке должно быть в соответствии с теорией теплообмена наименьшим вверху и наибольшим в нижней части втулки и граница области 4 должна быть криволинейной. Для удобства процедуры моделирования границу термического сопротивления 2 следует делать прямолинейной, что достиQ гается вырезами 5 в области 4. Аналогично выполняется и термическое сопротивление 3 со стороны охлаждения, моделирующее теплоотдачу в охлаждающую среду.

Термические сопротивления 2 и 3 должны иметь минимальную теплоемкость для уменьшения погрешности моделирования, что достигается вырезами либо выполнением их из материала меньшей толщины, чем материал модели, либо применением материала с низкой удельной теплоемкостью и низким коэффициентом теплопроводности. На границы термических сопротивлений 2 и 3 подключаются температурные потенциалы, рассчитываемь1е согласно теории теплообмена. Разность потенциалов (температур) на границах 6 и 7 термических сопротивлений 2 и 3

принимается за 100%. Абсолютное значение температур выбирается исходя из погрешности регистрирующей аппаратуры, подключаемой к термопарам, спаи которых прикрепляются (привариваются) к поперечному сечению модели в необходимых для исследования точках. В проведенных опытах, например, максимальная температура (100% потенциала) устанавливалась220°С,а минимальная (0% потенциал) составляла 20°С. Измерение и запись температур осуществлялись блоком регистрации, в частности,

5 электронным автоматическим прибором типа ЭПП-09. Пересчет температур модели на натуру производится аналогично методу, принятому в электромоделировании.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В ПЛОСКИХ И ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ТЕЛАХ, содержащее источники верхних и нижних температур, к которым присоединены границы модели реального тела, выполненной из теплоемкого и теплопроводного материала и две группы термопар, которые прикреплены соответственно к корпусу источника верхних температур вдоль границы модели реального тела и к самой модели реального тела в характерных для моделируемого температурного поля точках, выводы термопар подсоединены к соответствующим входам блока регистрации, отличающееся тем, что, с целью упрощения процесса моделирования, оно содержит два термических сопротивления. п нагревательных элементов и п регулируемых источников питания, модель реального тела выполнена в виде плоской пластины, конфигурация которой геометрически подобна поперечному сечению реального тела, источник верхних температур выполнен в виде двух металлических половин корпуса прямоугольной формы, одни из торцов которых соединены между собой шарнирно в одной из половин корпуса источника верхних температур расположены электронагревательные элементы, подключенные к выходам соответствующих регулируемых источников питания, термические сопротивления выполнены в виде пластины из полоскового материала, пластина первого из термических сопротивлений имеет поперечные вырезы и соединена одной из продольных сторон с одной из границ модели реального (О тела, а ее другая продольная сторона расположена между половинами корпуса источника верхних температур, пластина второго термического сопротивления соединена одной из сторон с другой границей модели реального тела, а ее другая сторона загнута по отношению к основной части на 90°, источник низких температур выполнен в виде продольной ванны с охлаждающей жидкос00 СХ) тью, в которую погружена загнутая сторона пластины второго термического сопротив ления. О) со