19965

Решение задачи о поле температуры в облучательном устройстве при отсутствии утечек тепла в торцы

Лекция

Физика

Поставить и решить вспомогательную задачу Б и закончить рассмотрение задачи о радиальном распределении температуры в облучательном устройстве при отсутствии утечек тепла в торцы. Обосновать необходимость использования метода конечных элементов (МКЭ) для расчета полей температуры в облучаемых образцах. Приступить к постановке задачи расчета поля температуры МКЭ для цилиндрического образца.

Русский

2013-08-13

39.33 KB

0 чел.

Конспект занятия 13.

Цель.

    Поставить и решить вспомогательную задачу Б и закончить рассмотрение задачи о  радиальном распределении температуры в облучательном устройстве при отсутствии утечек тепла в торцы. Обосновать необходимость использования метода конечных элементов  (МКЭ) для расчета полей температуры в облучаемых образцах. Приступить к постановке задачи расчета поля температуры МКЭ для цилиндрического образца.

План.

1. Постановка и решение вспомогательной задачи Б.

2.Решение задачи о поле  температуры в облучательном устройстве при отсутствии утечек тепла в торцы.      

3. Постановка задачи расчета поля температуры МКЭ для цилиндрического образца.

   Поле температуры в образце (задача Б)

    На поверхности цилиндра с коэффициентом теплопроводности λ0,1   задана температура Т1   , внутри цилиндра действуют внутренние источники тепла qv01 , в центре цилиндра температура имеет экстремум.

Граничные условия:

 dT/dr | r= 0                                                                                           (19)

T | r= R1= Т1                                                                                          (20)

    Поле температуры описывается уравнением (13) и (14).

Из (19)  C1 = 0, тогда  из (20) определяем:

С2 = Т1+ qv,0,1 R21/4 λ0,1

Поле температуры в цилиндре (образце) имеет вид:

Рис.3.7 Модель расчета поля температуры при отсутствии утечек тепла в торцы.

λk.k+1

Rk

Rn

3

1

2

K

K+1

K+2

K+3

n-1

n

qv01v01

qv23

λ23

qvk.k+1

Q

α.Tcp

T=T(r)

Qk

λk,k+1

qvk,k+1

Rk

Tk

Tk+1

А

dT/dr|r=0=0

T=T(r)

λ01

qv01

R1

T1

Б

Т=Т1+ qv,0,1 (R21-r2)/4 λк, к+1

Поток тепла с поверхности цилиндра:

Qk = - 2π λ0,1  R1 dT/dr | r= R1 = πqv,0,1R21 = πqv,0,1(R21 R20),

где R0 = 0

Определяем потоки тепла, пользуясь результатами задач, рассмотренных выше:

        n

Qn = Σ πqv,k,k+1(R2k+1 R2k) при R0 = 0.

       k=0

     Используя краевое условие (6), имеем:

Tn -Tc = Qn/2 παRn

     Определяем перепады температуры:

- на оболочке

Тn-1 - Тn = Av,n-1,n+ An-1,n ,

- в газовой прослойке:

Tn -Tc = Qn-2,n-1 /hn-2,n-1

- на к-ом экране:

Тk - Тk+1 = Av,k,k+1+ Ak,k+1 ,

- в к-1 прослойке:

Тk-1 - Тk = Qk-1,k /hk-1,k

-в экране с радиусами R2 и  R3 :

T2T3 = Av,2,3+ A2,3 ,

- в прослойке с радиусами R1 и  R2:

Т1 - Т2 = Q1,2 /h1,2 ,

- в образце:

Т0 1= qv,0,1 R21/4 λ0,1

    Последовательное суммирование вышеприведенных разностей дает возможность определить поле температуры по радиусу облучательного устройства.

    Исследование свойств материалов в реакторном эксперименте осложняется наличием интенсивных тепловыделений в испытуемом     образце.  Следствием этого являются  градиенты температуры    по объему образца и появление термонапряжений, которые в  ряде случаев могут приводить к растрескиванию образца. Существенными могут оказаться явления, обусловленные   наличием градиента плотности тепловыделения в материале.

    В целом, требования к оценке поведения образца в реакторном эксперименте должны быть более строгими, расчеты температурных полей более подробными и точными.

    Для расчета температурных полей в образце реакторной установки целесообразно воспользоваться методом конечных элементов.

    Постановка задачи.

1.Геометрические условия задают цилиндрический осе симметричный образец.

2.Физические   условия   задают    распределение     источников

тепловыделения  в образце и  коэффициент теплопроводности, зависящий от температуры.

3.Временные условия рассматривают стационарную задачу:

dT/ =0                                                                                          (21)

4.Граничные условия.

На торцевых поверхностях образца предлагается использовать два варианта граничных условий:

- условия первого рода:

T|z=0, 0≤  rR = T (0, r)                                                                         (22)

T|z=H, 0≤  rR = T (H, r)                                                                       (23)

- условия третьего рода:

- λ dT/dr |z=0, 0≤  rR = α (0,r) [T (0, r) – Tc0]                                    (24)

- λ dT/dr |z=H, 0≤  rR = α (H,r) [T (H, r) – TcH]                                (25)

   На внешней боковой поверхности цилиндрического образца задаются граничные условия третьего рода:

Q= 2πRα(z,r) [T (z, r) – Tcr]                                                             (26)

    Решение задачи методом конечных элементов.

    Дискретизация геометрической области проводится по схеме представленной в верхней части рис. 3.8.

    Определение стационарных двумерных полей температуры основано на простейшем варианте метода конечных элементов. Ищется решение стационарного уравнения теплопроводности:

                            

div [ λ(T) grad T( r )] +  qv(r) =0 ,                                                    (27)         

где

Т(r) - температура образца;

λ(Т) - коэффициент теплопроводности в общем случае, зависящий от температуры;

qv(r)- плотность внутренних источников тепла может быть функцией координат.

    Граничные условия, как уже отмечалось, задают либо температуру, либо тепловой поток. В соответствии с методом конечных

элементов и с учетом симметрии задачи цилиндрический образец разбивается на N кольцевых элементов и  М элементов по высоте.  

    Возьмем толщину кольцевых элементов постоянной. Затем для каждого элемента составляется уравнение теплового баланса,  при этом предполагается, что величины λ и qv постоянны для данного элемента.

    В рассматриваемом случае уравнения теплового баланса    элементов принимают вид:

N(i)

Σ γ(i,j)[T(i)-T(j)] + qv(i)S(i)+QL(i) = 0                                           (28)

j=1

где

S(i)- площадь получаемого  при таком разбиении элемента;

Т(i)- температура элемента;

qv(i) плотность внутренних источников тепла;

QL(i)- поток тепла в элемент из внешней среды;

γ( i,j)- коэффициент, характеризующий перенос тепла между соседними i-ым и j -ым элементами;

N(i)- число элементов, обменивающихся теплом с элементом, равно четырем во внутренней области и трем для элементов, лежащих на границе области.

При составлении системы уравнений (28) предполагалось, что потоки тепла Q между соседними элементами пропорциональны разности температур в этих элементах:

Q = γ( i,j) [T(i)-T(j)]                                                                          (29)

    Выражение, определяющее  γ( i,j)  , может быть получено при рассмотрении  соотношения для потока тепла между   i-ым  и  j -ым  элементами в радиальном направлении:

Q = λ Lij grad T  | ij                                                                            (30)

где λ - коэффициент теплопроводности материала;   L- протяженность границы между элементами; grad T  | ij - градиент температуры на границе между   i-ым и  j -ым элементами.

H 

r

z

r 

Рис. 3.8

0

0

0

0

0

0

0

0

M*N

Рис.3.8. Схема расположения конечных элементов и структура матрицы [B].


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

6603. Комплексная система обеспечения надежности двигателей 136.67 KB
  Комплексная система обеспечения надежности двигателей Система обеспечения надежности двигателей Одними из основных показателей, характеризующих качество двигателей, являются показатели надежности. В данном разделе подробно рассмотрена система обеспе...
6604. Законодательные аспекты управления качеством при проектировании авиационных двигателей 45.02 KB
  Законодательные аспекты управления качеством при проектировании авиационных двигателей Качество - это степень соответствия продукции требованиям потребителя. Существует несколько аспектов понятия управления качеством (УК). Управленческий аспект...
6605. Информационные системы и информационные технологии в управлении качеством 47.31 KB
  Информационные системы и информационные технологии в управлении качеством Информационные системы в управлении качеством НОП. Известно, что материальной базой для создания процессно-ориентированных информационных систем на наукоемких предприят...
6606. Применение CALS - технологий в управлении качеством 34.3 KB
  Применение CALS - технологий в управлении качеством Многолетний зарубежный опыт создания и использования современных систем управления качеством продукции (УКП) показал, что главным условием эффективности их функционирования является наличие ин...
6607. Сертификация в технике. Введение в сертификацию 54.9 KB
  Сертификация в технике Введение в сертификацию Установление требований к качеству промышленной продукции, технологических процессов - важнейшее условие их разработки, производства, эксплуатации и утилизации. Эти требования как правило, отражаются в ...
6608. Сертификация за рубежом и РФ 52.06 KB
  Сертификация за рубежом и РФ Сертификация за рубежом Сертификация используется практически во всех промышленно развитых странах, возникнув в начале XX века и развиваясь параллельно с расширением и усложнением деятельности по стандартизац...
6609. Сертификация наукоемкого производства авиационных двигателей 84.6 KB
  Сертификация наукоемкого производства авиационныхдвигателей Практика авиационного двигателестроения свидетельствует, что основными целями совершенствования двигателя являются: повышение надежности и ресурса, улучшение параметров рабочего проце...
6610. Математические методы системы управления качеством продукции 715.93 KB
  Математические методы системы управления качеством продукции Стандартами системы качества в качестве математических методов рассматриваются преимущественно методы математической статистики. Отдельные отрасли, предприятия и организации, соотносясь со...
6611. Описательная статистика и обработка статистических данных в процессе проектирования авиационных двигателей 505.72 KB
  Описательная статистика Описательная статистика представляется наиболее широко применяемыми методами математической статистики, используемыми для первичной обработки и наглядного представления статистических данных. К рассматриваемым методам относят...