Введение к работе
Актуальность работы. Информация о теплофизических характеристиках как функциях температуры играет ключевую роль в инженерных расчетах тепловых процессов в самых разных отраслях. Особый интерес представляют дисперсные влагосодержащие материалы, обладающие важной спецификой. Они меняют свои свойства необратимо, и особенно резко это происходит с повышением температуры. Именно поэтому для влагосодержащих материалов практически важной становится возможность комплексного измерения ТФХ как функций температуры. Для этого были разработаны комплексные динамические методы измерений, базирующиеся на теории монотонного режима, которая является обобщением квазистационарных и регулярных методов.
Однако использование традиционных методов монотонного режима для исследования ТФХ влагосодержащих материалов наталкивается на известные трудности, связанные со спецификой протекания процессов замораживания и размораживания в них. Зависимость коэффициентов ТФХ от температуры в зоне фазового перехода становится ярко выраженной, что приводит к сильной нелинейности. Кроме того, в образцах цилиндрической формы, используемых при исследовании влагосодержащих материалов, температурное поле двумерно, что в свою очередь учитывается лишь косвенными поправками. По этой причине использование традиционного метода расчета ТФХ, предполагающего одномерные температурные поля в исследуемом образце, а также слабую линейную зависимость коэффициентов от температуры приводит к получению физически некорректных значений в диапазоне температур замораживания и размораживания.
Наиболее перспективными методами определения теплофизических характеристик являются методы, основанные на решении коэффициентных обратных задач нестационарной теплопроводности. В этом случае по известным краевым условиям и результатам измерения температуры внутри тела определяется зависимость теплофизических характеристик материала от температуры. Такая методика может быть построена и реализована в виде автоматизированного численного алгоритма. В условиях нынешнего уровня развития вычислительной техники и специального программного обеспечения такая методика дает очень широкие возможности при исследовании ТФХ.
Использование методов некорректных обратных задач для расчетов ТФХ влагосодержащих материалов особенно актуально, поскольку они являются практически единственным инструментом, позволяющим получать информацию о ТФХ в «проблемных» диапазонах температур, где традиционные методы исчерпывают свои возможности. Указанный подход перспективен еще и с той точки зрения, что он практически не требует специальных режимов проведения эксперимента и может снять ряд ограничений как при проведении опыта, так и в самой конструкции теплоизмерительной ячейки. Это объясняется тем, что сама методика предполагает решение уравнения теплопроводности в нелинейной двумерной постановке и не накладывает ограничений на характер изменения граничных условий, в отличие от традиционной, где имеет место аналитическое решение простейших задач теплопроводности и необходимость строгого выдерживания режима близкого к стационарному за счет сохранения небольших перепадов температуры внутри образца.
Создание рассмотренной выше методики позволит в перспективе, используя «традиционную» теплоизмерительную ячейку для комплексного измерения ТФХ, полностью автоматизировать обработку экспериментальных данных и расчет коэффициентов ТФХ, не требуя промежуточных трудоемких операций с участием исследователя, а вместо этого предоставляя возможность контроля и гибкого управления алгоритмами вычислений. При этом значительно повысится экспрессность эксперимента в целом. Кроме того, совместное использование двух методик расчета коэффициентов (традиционной аналитической и предлагаемой в данной работе) позволит получать наиболее объективную картину.
Целью работы являлась разработка новой экспрессной методики для комплексного исследования температурных зависимостей теплопроводности и объемной теплоемкости влагосодержащих материалов (пищевых продуктов, грунтовых и горных пород) на основе решения нелинейной инверсной коэффициентной обратной задачи теплопроводности по данным эксперимента в условиях их замораживания в диапазоне температур (–60…20) С.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Обосновать необходимость разработки нового численного алгоритма расчета коэффициентов ТФХ влагосодержащих материалов при замораживании в диапазоне температур, охватывающем неизотермический фазовый переход.
-
Разработать математическую модель теплоизмерительной ячейки, используемой для исследования твердых, рыхлых, пастообразных и жидких материалов.
-
Разработать численный алгоритм расчета коэффициентов эффективной теплопроводности и объемной теплоемкости на основе решения обратной задачи теплопроводности.
-
Исследовать численным методом свойства нескольких характерных влагосодержащих материалов.
Новизну работы составляют и выносятся на защиту следующие результаты и положения:
-
Обоснование преимуществ новой методики расчета коэффициентов ТФХ влагосодержащих материалов в условиях замораживания по сравнению с приближенно аналитическим методом.
-
Численный алгоритм расчета комплекса ТФХ влагосодержащих материалов в диапазоне температур, охватывающем фазовые и структурные превращения.
-
Определение точности предложенной методики.
-
Результаты расчета численным методом объемной теплоемкости и теплопроводности группы пищевых продуктов и грунтовых пород.
Практическая ценность работы заключается в получении необходимых данных о теплофизических свойствах влагосодержащих материалов в широкой области температур, включая диапазон температур фазового перехода, необходимых для расчетов технологических процессов в пищевой промышленности, при инженерных расчетах, проводимых при строительстве инженерных сооружений и т. д. и подтверждена актами о внедрении.
Личный вклад: разработка методики проведения опыта при последовательном замораживании и размораживании образца, обработки экспериментальных данных опыта; проведение комплексного измерения ТФХ пищевых продуктов и грунтовых пород в области температур (–60…20) С; разработка численного алгоритма расчета теплоемкости и теплопроводности на основе решения обратной задачи теплопроводности.
Апробация работы и публикации. Основные материалы и результаты работы опубликованы в 5 печатных трудах, в том числе 2 работы в изданиях рекомендуемых ВАК РФ, и доложены на 34-ой, 35-ой и 36-ой НПК профессорско–преподавательского состава докторантов, аспирантов и сотрудников университета, Санкт-Петербург, (2008…2010 гг.); V Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», Санкт-Петербург, 2010 г.; Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ», Санкт-Петербург, 2010 г.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (130 наименований) и 2 приложений. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 2 таблицы и 28 рисунков.
