Введение к работе
Актуальность темы. Изучение процессов переноса тепла имеет большое практическое значение в таких областях техники как энергетика, транспорт, химическая технология, авиационно-космическая техника и др. Корректный расчет теплообмена в тепловых устройствах различного целевого назначения невозможен без тщательного исследования теплофизическях характеристик материалов (ТФХ), используемых при их создании. Одна из основных задач техники тешюфшических исследований - разработка экспрессных методов исследований, базирующихся на надежных метрологических обоснованиях. Только скоростные методы могу г обеспечить исследование того многообразия веществ и материалов, которые создаются технологическими лабораториями. Также представляется важным разработка методов неразрушающего контроля - методов, предполагающих исследование изделий или их частей без нарушения целостности.
Исследование ТФХ ведется по двум направлением - теоретическому и экспериментальному. Экспериментальные исследования дают информацию о теплофизических свойствах широкого класса веществ для различных температур и давлений. Возможности теоретических методов в настоящее время достаточно ограничены. Особенно важными становятся теоретические подходы исследования в связи с появлением в лабораторном эксперименте нового поколения оборудования, для которого ставятся новые критерии исследований.
В диссертационной работе аналитически и численно изучаются процессы
теплопереноса, в частности, рассматриваются нестационарные модельные задачи,
лежащие в основе экспериментальных методов, базирующихся на стадии
иррегулярного теплового режима. Впервые изучаются вопросы построения
эксперимента на основе полосного импульсного облучения исследуемого образца и
последующей регистрации поля температур, по которому анализируется значение
коэффициента теплопроводности. Исследуется ранее оцененная только
приблизительно величина контактного сопротивления, возникающего на границе
раздела подложки и образца метода кратковременных измерений при
использовании теплового датчика цилиндрической формы. Ставится
нестационарная тепловая задача метода элементарной ячейки, на базе которой численно анализируется значение коэффициента эффективной теплопроводности дисперсной системы. Особенностью данной схемы, в отличие от ранее применяемых, является возможность оценки времени установления квазиоднородности системы.
Дель работы. Разработка физико-математических моделей методов исследова ния, ТФХ различных твердых материалов на основе нестационарных систеї уравнений теплопроводности. Исследуются такие параметры материалов кап теплопроводность, теплоемкость, эффективная теплопроводность, для слоисты систем - время установления квазиоднородности, для метода кратковременны измерений - контактное сопротивление.
Методика исследования основана на аналитическом и численном решешг линейных систем уравнений теплопроводности с применением комплексе программ аналитического и численного решения модельных задач эксперимент; Основные положения, выводы и рекомендации подтвергхдены тестамі сопоставлениями результатов расчетов с лабораторными экспериментами.
Научная новизна. Разработан метод исследования коэффициента TennonpoBoj ности твердых материалов на базе лазерного облучения исследуемого образц; отличительной особенностью которого является использование полосног облучения, а также бескоктактность. При помощи методов интегральны преобразований получено аналитическое решение одномерной и двумерно модельных задач эксперимента. Разработана методика и программа расчеі коэффициентов теплопроводности и теплоемкости образца.
Впервые на базе наиболее приближенной к реальности модельной задачи метої кратковременных.; измерений проанализировано влияние контактної сопротивления на исследуемый образец. Разработана программа численної решения, модельной задачи эксперимента и численно показано, что при толщш
образца менее л/ а т (глубина проникновения теплового поля) пракгаческ ^исключено полуяениеладежных экспериментальных данных. Проанализирован искажения в ходе эксперимента, вызванные наличием~пузьірьковчгаза-меиц подложкой и датчиком цилиндрической формы, а также возможные искажени зависящие от радиуса датчика.
Для дисперсных материалов разработан метод определения эффгктивж теплопроводности, позволяющий, в отличие от традиционных, оценивать врек установления квазиоднородности образца.
Научная и практическая ценность. Полученные в диссертации данные мог быть использованы: при планировании и анализе результатов экспериментально; изучения теплофизических коэффициентов методом кратковременных измерени для анализа результатов исследования дисперсных материалов, щ проектировании экспериментальной установки, реализующей бесконтактш метод исследования теплопроводности твердых материалов. Разработанш
комплекс программ может быть рекомендован к использованию в организациях, выполняющих расчеты задач нестационарной теплопроводности. На защиту выносятся следующие положении.
-
Физико-математическая модель бесконтактного метода исследования теплопроводности материалов, основанного на базе лазерного облучения исследуемого образца, снятия поля температур и моделирования распределения температуры.
-
Аналитическое решение двумерной задачи нестационарной теплопроводности с разрывными условиями на границе модельной задачи эксперимента, полученное методами интегральных преобразований.
-
Физико-математическая модель, наиболее приближенная к реальности, метода кратковременных измерений, описывающая влияние контактного сопротивления образца, анализ получаемых результатов эксперимента н контактного сопротивления на примере монокристаллов LiF, ТЗМК к др.
-
Физико-математическая модель описания нестационарного теплового режима дисперсных сред, построенная на базе метода элементарной ячейки. Численное моделирование задач нестационарной теплопроводности для слоистых материалов со слоями нормальными и параллельными вектору теплового потока.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на международной конференции "Новое в теплофизических свойствах" (Москва, 1998г.), конференциях молодых ученых и специалистов, научно-технических советах кафедры физики МАИ (1998 и 1999 г.г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы - 128 страниц, включает в себя 14 рисунков, 3 таблицы и список цитируемой литературы из 120 источников. В конце кагкдой главы приведены выводы.
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в работах [1-6].
