19966

Методика представления системы уравнений тепловых балансов в матричной форме

Лекция

Физика

Познакомить слушателей с методикой представлением системы уравнений тепловых балансов в матричной форме. Отметить, что это представление основывается на предположениях о малых размерах элементов, геометрии рассматриваемой задачи и возможности использования линейных связей между тепловыми потоками и температурой.

Русский

2013-08-13

30.08 KB

2 чел.

Конспект занятия 14.

Цель.

   Познакомить слушателей с  методикой представлением системы уравнений тепловых балансов в матричной форме. Отметить, что это представление основывается на предположениях о малых размерах элементов, геометрии рассматриваемой задачи и возможности использования линейных связей между тепловыми потоками и температурой. Рассмотреть матричную форму системы уравнений и представить программу расчета полей температуры методом конечных элементов. Использовать полученные результаты для расчета температурных перепадов в облучаемом образце ядерного топлива из диоксида урана.

План.

1. Методика представления системы уравнений тепловых балансов в матричной форме.

2. Матричная форма системы уравнений тепловых балансов.

3. Программа расчетов на ЭВМ.

4. Пример расчетов температурных перепадов в облучаемом образце из диоксида урана.

         В случае, когда рассматриваемые элементы имеют достаточно малые размеры, температурный   градиент в радиальном направлении можно линейным образом аппроксимировать разностью температур элементов T(i) и Т(j):

Q = [T(i)-T(j)] Lij / [(∆ri/2λi)+ (∆rj/2λj)]                                         (31)

где Lij - протяженность границы между i-ым и  j-ым элементами; ∆ri, ∆rj - линейные размеры  i-ым и  j-ым элементов;  λi , λj  - коэффициенты теплопроводности i-ым и  j-ым элементов.

    Сравнивая (29),(30) и (31), находим выражение для γ( i,j)    в радиальном направлении:

γr(i,j)=Lij[(∆ri/2λi)+(∆rj/2λj)]-1                                                       (32)

Аналогичным образом получим выражения для теплового потока
в аксиальном направлении:

Q = [T(i)-T(j)] Lij / [(∆zi/2λi)+ (∆zj/2λj)]                                          (33)

и соответственно для γz( i,j) в аксиальном направлении:

γz( i,j) = Lij [(∆zi/2λi)+ (∆zj/2λj)]-1                                                      (34)

где  ∆zi и ∆zj  высоты i-ого и  j-ого элементов.

Необходимо отметить, что при выводе соотношения (33) и (34) использовалось условие ортогональности потоков тепла и границ между элементами. Данное условие выполняется для рассматриваемой задачи вследствие симметрии при принятом разбиении на элементы.

Для элементов на боковой поверхности при граничном условии третьего рода имеем:

γr( i,с) = Liс [(∆ri/2λi)+ (1/αс)]-1                                                          (35)

a при граничном условии первого рода:

γr( i,с) = Liсi / ∆ri                                                                            (36)

где αс - коэффициент теплоотдачи;  Lic - протяженность границы  элемента  cо средой.

    Система уравнений (28) может быть представлена в матричной форме:

[B]{T} = { Qv }+{Q L}

где  

[В]  - пятидиагональная симметричная матрица,  определяющая взаимодействие элементов между собой;  

{T}   - вектор температуры элементов;  

{Qv} - вектор источников   тепла;

{Q L} - вектор потоков тепла c границ цилиндрического образца.

    Матрица [В]  является квадратной пятидиагональной матрицей размера (М*N ).  Структура  ее представлена    на рис.3.8 где сплошными линиями показаны ненулевые элементы.

    В соответствии с переходом от (28) к (37)  элементы матрицы    [B] определяются следующим образом. Элементы, лежащие на неглавных диагоналях, определяются согласно (32) и (34). Элементы лежащие на главной диагонали,  определяются  как сумма элементов неглавных диагоналей, взятых с обратным знаком и лежащих  на одной cтроке, минус член,  определяющий тепловое

взаимодействие c внешней средой, в случае, когда элемент лежит  на внешней поверхности.

    Для определения вектора температуры элементов получим решение в виде:

{T} =  ({ Qv }+{Q L}) [B]-1

     Основные этапы проведения расчетов на ЭВМ.

    Пpoгpaмма определения двухмерных полей температуры реализует следующую последовательность действий (рис.21).

   Во вводной части программы задается зависимость коэффициента теплопроводности от температуры, начальное приближение для λ  , рассчитываются матрица [В], {Qv } и {QL} . Далее для реализации треугольного разложения cимметричной матрицы  [В] применяется подпрограмма " CHODET ". Подпрограмма "SHOSOL "  по известному вектору правой части уравнения (37) определяет вектор температуры.

    После получения поля температуры  происходит его дальнейшее уточнение итерациями с учетом зависимости коэффициента теплопроводности образца от температуры. Укрупненная блок- схема программы определения вектора температуры для
цилиндрических образцов представлена на рис.3.9.

    Пример расчета температурного поля.  

    На рис.3.10. показана зависимость максимального радиального перепада температуры в образце из диоксида урана от плотности внутренних источников тепла при различных значениях температур окружающей среды и торцов. На боковой поверхности образца задавались граничные условия третьего рода, а на торцах - первого рода при этом предполагалось, что температура на торце образца по его сечению постоянна.  Это условие приближает расчеты к ситуации, реализуемой в экспериментальной установке, когда ядерное топливо с низким коэффициентом теплопроводности контактирует с металлическим пуансоном.

    Коэффициент теплоотдачи с боковой поверхности образца учитывал теплопроводность  через газ-заполнитель, конвекцию  и тепловое излучение и рассчитывался по методике, принятой для расчета поля температуры но элементам установки.         

    При  тепловыделениях  ~ 60 Вт/см3 , характерных для эксплуатации установок типа "Крип-ВТ" (высокотемпературные испытания)  на ИРТ-МИФИ, перепады составляют величины  ~ 30 К, что не может привести к разрушению образца из-за термонапряжений.

0

0

0

0

0

0

0

0

M*N

Ввод  данных

ITER=1

T=T0

Формирование матрицы [B]и свободных векторов.

Приведение матрицы [B]

к треугольному виду.

CHODET

Определение {T}

CHOSOL

T0-T<EPS

ITER<ITER M

Конец

Т0

ITER=ITER+1

Рис. 3.9.Блок-схема программы для определения поля температуры в образце.

Да

Да

Нет

Нет

H 

r

z

r 

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

   0                 40                80              120        qv     Вт/см3

Тторц=1200К

Тср=1000К

Тторц=1600К

Тср=1400К

Тторц=1100К

Тср=1100К

Тторц=700К

Тср=700К

Тторц=300К

Тср=300К

Рис.3.10.Зависимость радиального перепада температуры от плотности тепловыделений в UO2.

0R) К

80

70

60

50

40

30

20

10


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

54800. Заработная плата как цена труда. Монопсония на рынке труда 18.75 KB
  Монопсония — ситуация на рынке, когда фирма (или другая организация), называемая “монопсонистом”, полностью контролирует спрос на определенное благо (товар или услугу), являясь единственным возможным его покупателем. При монопсонии наниматель обладает монополистической возможностью нанимать работников.
54802. Paparazzi and Celebrities 37 KB
  The sun is shining outside! The weather is awesome. I’d like you to be in good mood. If you aren’t, we’ll rise it. So, your first task is to tell your classmates couple nice words. For instance: Julia, you look amazing! This new skirt really suits you!
54803. Рынок земли и его особенности 18.58 KB
  Особенность рынка земли. Особенностью этого рынка является ограниченность (иногда и невозможность) воспроизводства. В силу ограниченности данного ресурса собственность на землю является самым доходным видом собственности.
54804. «Узнайте нас – мы будем рады» 38 KB
  И только умная и образованная Шахразада которая смогла тысячу ночей рассказывать царю Шахрияру свои чудесные сказки не была казнена и осталась единственной любимой супругой царя. Мистер Кредо появляются Шахразада царь Шахрияр Шахразада. Шахразада хлопает в ладоши под музыку выходят герои: Золушка горбун из Нотрдама и Эсмиральда Оксана Руслан и Черномор Слон и Моська дАртаньян. Шахразада.
54805. Парад точных наук 178 KB
  Ход мероприятия проводится в актовом зале Звучит музыка Ведущий 1: Добро пожаловать в страну точных наук В страну логаритмов простых вычислений корней возведений и уравнений Группа учащихся исполняют гимн математики и физики Пусть говорять мы годы губим Что умереть что умереть нам суджено Но математику и физику мы любим Давнымдавно давнымдавно давнымдавно....
54806. Урок позакласного читання. Остап Вишня. «Паралелепіпед». Прямокутний паралелепіпед та його об’єм 160 KB
  Мета: Закріплювати інтерес учнів до творчості Остапа Вишні ознайомити зі змістом твору Паралелепіпед закріплювати знання про життєвий і творчий шлях Остапа Вишні;удосконалювати навички виразного читання;розвивати читацький інтерес; Закріплювати знання учнів про елементи прямокутного паралелепіпеда поняття обєма і формули обєма прямокутного паралелепіпеда й куба; відпрацювати уміння розвязувати задачі на обчислення вимірів прямокутного паралелепіпеда площі його поверхні та...
54807. Площі паралелограмів 13.66 MB
  Підготовча робота: За тиждень до проведення уроку учні класу обєднуються в три групи і отримують завдання застосовуючи знання теми Площі прямокутників і паралелограмів: 1. Обладнання: Мультимедійна дошка презентації вчителя і учнів набори паралелограмів картки консультанти картки інструкції картки з домашнім завданням креслярські інструменти банки з фарбою тестові завдання для роботи за компютером. № Вид діяльності Час 1 Організаційний момент 4хв 2 Актуалізація опорних знань 6хв 3 Перегляд учнівських робіт 12хв 4...
54808. Паралелограми 736 KB
  2хв 3 Корекція зорового образу: робота з зашумленим рисунком; упізнання методом виключення 6хв 4 Встановлення взаємозвязків різних видів паралелограмів за допомогою кіл Ейлера та опорної схеми 6хв 5 Фізкультхвилинка для зняття зорового напруження 15 хв 6 Корекція образно логічного сприйняття матеріалу шляхом встановлення відповідності між властивостями поданими в усній формі різних видів...