Нестационарная теплопроводность в стальном стержне#

В рамках данного урока мы рассмотрим решение нестационарной задачи теплообмена для теплопроводности в стальном стержне круглого сечения:

Стальной стержень (марка стали 08Х18Н10Т) с диаметром 10 [мм] и длиной 40 [мм] изолирован за исключением одной торцевой стороны. К неизолированной стороне приставлен источник с температурой – 100℃ (см. рис. 1 ниже). Масса стержня – 0.02482 [кг].

Рис. 1 Стальной стержень

Рис. 1 Стальной стержень#

Для стали 08Х18Н10Т приняты следующие характеристики:

Температура, ℃

Теплопроводность, Вт/(м∙℃)

100

16

200

18

300

19

Температура, ℃

Удельная теплоемкость, Дж/(кг∙℃)

20

461

100

494

200

515

300

536

400

549

500

561

600

574

700

595

1.  Создание и настройка проекта#

Создадим новый проект и присвоим ему название, например, Нестационарная теплопроводность в стальном стержне.

Затем, т.к. процесс достижения стационарного состояния требуется длительного времени, необходимо (см. рис. 2 ниже):

  1. Установить параметр Синхронизация с реальным временем в положение выключено;

  2. Установить значение параметра Время моделирования - 800 [с].

Рис. 2 Настройка параметров проекта

Рис. 2 Настройка параметров проекта#

Приступим к выполнению основных шагов по созданию тепловой модели.

2.  Задание граничных условий#

Температура на левом торце стержня задана и равна – 100℃ (температура источника). Для моделирования данного граничного условия необходимо воспользоваться блоком Источник температуры библиотеки Теплообмен, разместим его в рабочей области и зададим значение температуры блоком Константа библиотеки Автоматика, аналогично добавив его на рабочую область и присвоив в его свойствах Значение константы - 100.

Соединим блоки, как показано на рис. 3:

Рис. 3 Задание температуры с помощью блока Константа

Рис. 3 Задание температуры с помощью блока Константа#

3.  Моделирование стержня#

В данной задаче мы хотим продемонстрировать процесс нагрева стержня. Степень детализации пользователь может выбирать самостоятельно, в уроке стержень разделен на 4 части, рис. 4:

Рис. 4 Схема разделения стержня

Рис. 4 Схема разделения стержня#

Для моделирования составляющих стержня добавим в модель 4 одинаковых блока Тепловая масса библиотеки Теплообмен со следующими свойствами (см. рис. 5 ниже):

  1. Тип удельной теплоёмкости - Таблица значений;

  2. Масса - 0.006205 [кг];

Подсказка

Масса одного сегмента равна – 0.006205 [кг] (1/4 часть всей массы стержня).

  1. Начальная температура - 25℃;

  2. Кривая удельной теплоёмкости - задаём значения из второго столбца Удельная теплоемкость таблицы Удельная теплоемкость;

  3. Кривая температуры- задаём значения из первого столбца Температура таблицы Удельная теплоемкость.

Важно

В REPEAT VISION десятичные числа задаются через точку.

Рис. 5 Задание свойств блока Тепловая масса

Рис. 5 Задание свойств блока Тепловая масса#

Выделим блок Тепловая масса нажатием ЛКМ, затем, нажав сочетания клавиш Ctrl+Cодин раз и Ctrl+V три раза, создадим ещё 3 копии данного блока с полностью идентичными свойствами, рис. 6:

Рис. 6 Расположение четырёх блоков Тепловая масса

Рис. 6 Расположение четырёх блоков Тепловая масса#

Каждая тепловая масса является одной частью стержня, тепло между ними распространяется посредством теплопроводности.

Для моделирования передачи тепла между частями добавим четыре блока Теплопроводность со следующими свойствами (см. рис. 7 ниже):

1.Площадь поверхности - 0.00007854 [м\(^2\)];
2. Толщина стенки - 0.01 [м];
3. Тип теплопроводности - Таблица значений;
4. Кривая теплопроводности - задаём значения из второго столбца Теплопроводность таблицы Теплопроводность;
5. Кривая температуры - задаём значения из первого столбца Температура таблицы Теплопроводность.

Рис. 7 Свойства блоков Теплопроводность

Рис. 7 Свойства блоков Теплопроводность#

После задания вышеуказанных свойств у первого блока Теплопроводность, сделаем ещё 3 копии, аналогично созданию копий блока Тепловая масса. После того, как будут созданы блоки №7, 8, 9 и 10 (блоки Теплопроводность) необходимо изменить значение свойства Толщина стенки у блока №7 на следующее значение - 0.005 [м], т.к. в данном случае толщина стенки равна половине длины сегмента в соответствии с принципиальной схемой, рис. 8 и рис.9:

Рис. 8 Соединение блоков и изменение значения свойства блока №7 Теплопроводность

Рис. 8 Соединение блоков и изменение значения свойства блока №7 Теплопроводность#

Рис. 9 Различия значений свойств блоков Теплопроводность

Рис. 9 Различия значений свойств блоков Теплопроводность#

4.  Вывод результатов расчета#

Добавим графики изменения температур сегментов стержня с помощью панели визуализации (см. рис. 10 ниже):

  1. Нажмём на кнопку Визуализация, расположенную на нижней панели слева;

  2. Два раза нажмём на кнопку Добавить, расположенную в правом нижнем углу, для добавления двух графиков;

  3. В окне первого графика необходимо нажать на панель Параметры блока, ось Yи выбрать там все четыре блока Тепловая масса;

  4. В окне второго графика необходимо нажать на аналогичную п.3 панель Параметры блока, ось Yи выбрать там все четыре блока Теплопроводность.

Рис. 10 Добавление графиков

Рис. 10 Добавление графиков#

Сохраняем проект.

Тепловая модель готова к выполнению расчета.

5.  Запуск расчета#

Запустите расчёт кнопкой «Запустить моделирование» button_play

Расчёт должен успешно завершиться следующим сообщением:

Расчет остановлен со стороны решателя. Достигнут лимит модельного времени.

6.  Анализ результатов расчёта#

В результате моделирования мы получаем графики изменения температур сегментов, а также тепловые потоки для блоков теплопроводности, рис. 11:

Рис. 12 Графики

Рис. 12 Графики#

Изменение температуры первого сегмента происходит значительно быстрее остальных, т.к. данный сегмент расположен ближе к источнику температуры.

В начальный момент времени тепловые потоки между 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4 сегментом равны нулю, что обусловлено отсутствием разницы температур. В свою очередь тепловой поток между источником и сегментом 1 в начальный момент есть, т.к. данный сегмент непосредственно соединен с источником и разность температур присутствует.

7.  Выводы#

В результате выполнения данного урока вы получили навыки моделирования нестационарных теплообменных процессов с помощью блоков библиотеки Теплообмен.

Вы научились:

  • Получать графики изменения температур элементов;

  • Детализировать объект на сегменты и выстраивать между ними тепловые связи;

  • Задавать непостоянные свойства материала (удельная теплоемкость, теплопроводность).