Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема достоверного определения теплового состояния различных конструкций, их элементов и частей — одна из важнейших в современной технике . Широкое распространение персональной вычислительной техники делает реальным и вполне доступным Использование универсальных компьютерных программ для анализа и выбора рациональных условий эксплуатации элементов оборудования на основе численного моделирования рабочих процессов.
К настоящему времени созданы и эксплуатируются в коммерческих и исследовательских целях разнообразные пакеты программ, ориентированные на решение широкого класса задач теплопроводности и термоупругости. В силу родственного математического характера, требований универсальности и сложившихся традиций в этих пакетах численное решение задач получается в основном методом конечных элементов. При проектировании новых образцов техники часто возникают задачи оценки теплового состояния конструктивных элементов, находящихся под воздействием неизотермических потоков жидких и газообразных сред. Одновременно получают распространение универсальные алгоритмы и пакеты прикладных программ для расчета неизотермических течений. Начиная с 1993 года на кафедре гидроаэродинамики СПбГТУ под руководством проф. Е.М.Смирнова эксплуатируется программный комплекс SINF, ориентированный на решение методом контрольного объема прикладных и фундаментальных задач для пространстоенных турбулентных течений с теплообменом *. Большое прикладное значение имеет возможность решения сопряженных задач неизотермического течения и теплопроводности, однако разработка универсального .программного комплекса для решения таких задач представляется достаточно сложным в силу существенного различия математических моделей гидроаэродинамики и теории теплопроводности. Параллельно с развитием программы SINF представилось целесообразным создать на основе метода контрольного объема универсальную программу численного решения задач теплопроводности HEATCOND, максимально использующую структуру и отдельные модули программы SINF. Такой подход наилучшим образом обес-
'Smiraov Е.М. Numerical simulation of turbulent flow and energy Ion in paaaagea with strong curvature and rotation using a three-Hinmroriorml Navier-Stoke» solver// Department of Fluid Mechanic», Vrije Unirerntet BrtwecL 1993. 122 p.
печивает дальнейшую, выходящую за рамки настоящей работы стыковку обеих программ для решения сопряженных задач теплообмена.
Разработке и тестированию программы HEATCOND, а также сопоставлению результатов расчетов с экспериментальными данными на примере анализа теплового состояния сложной системы — никель-кадмиевого аккумулятора (НКА) — посвящена диссертационная работа.
Цель работы достигнута путем 1) разработки методики, алгоритма и программы расчета нестационарных и стационарных задач теплопроводности в составных телах сложной формы с внутренним тепловыделением; 2) тестирования программы на разнообразных задачах теплопроводности, имеющих аналитические решения и выявляющих свойства алгоритма; 3) создания тепловой модели герметичного НКА, учитывающей его устройство и теплофизические свойства отдельных элементов; 4) проведения экспериментального исследования тепловыделения в НКА, работающего в составе батареи, и 5) расчетов теплового состояния НКА по стандартным характеристикам и характеристикам, определенным в ходе.эксперимента.
Научная новизпа результатов исследований состоит в
— создании универсального, надежно работающего и открытого
для дальнейшего развития программного комплекса, ориентирован
ного на решение трехмерных нестационарных задач^теплопроводно-
сти для тел произвольной формы со сложной внутренней структу
рой;
создании методики пространственного и временного моделирования тепловых процессов при заряде и разряде НКА;
получении новых расчетных и экспериментальных данных о температурных полях и распределении тепловых потоков.при эксплуатации НКА в составе батареи.
Достоверность получвниых выводов подтверждена результатами всестороннего тестирования программы HEATCOND. Надежность экспериментальных данных обосновывается воспроизводимостью опытных данных, тщательно отработанной, методикой тепловых измерений и абсолютной тарировкой градиентных датчиков теплового потока
Практически ценность работы определяется успешным опытом применения программы HEATCOND для решения прикладных ііДач теплопроводности; данными натурных экспериментов о те-
пловых процессах в НКА в режимах заряда и их соответствием результатам расчетов, а также выявлением перспектив контроля за процессами заряда по тепловым потокам.
Результаты работы использованы предприятием "Элекон" (Санкт-Петербург), производящим никель кадмиевые аккумуляторы, а также при выполнении работ в рамках проекта "Вузы Санкт-Петербурга - городскому хозяйству".
Личиый вклад автора заключается в адаптации элементов программного комплекса SINF к решению задач теплопроводности, в отладке и тестировании программы HEATCOND. Автор самостоятельно выполнила расчет тепловых процессов и теплового состояния никель-кадмиевого аккумулятора, а также поставила, методически отработала и провела экспериментальные исследования, включая анализ полученных данных.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации докладывались на: первом международном научном форуме "The Youth Ecology Forum of the Baltic Region Countries — Ecobaltica — XXI century", (Санкт-Петербург, 1996 г.). Основные результаты работы отражены в трех публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и одного приложения, содержит 107 страниц, в том числе 32 рисунка и 5 таблиц. Список литературы содержит 52 наименования.