Указ. Метод указания к ПЗ ЭЛЬКАТ (1). Методические указания к практическому занятию Самара Самарский государственный технический университет 2022

• Название: Методические указания к практическому занятию Самара Самарский государственный технический университет 2022
• Дата: 22.11.2022
• Размер: 68.68 Kb.
• Имя файла: Метод указания к ПЗ ЭЛЬКАТ (1).docx
• Тип: Методические указания; #805483

Т.А. КСЕНАФОНТОВА

МОДЕЛИРОВАНИЕ

ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ

В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ ELCUT
Методические указания к практическому занятию

Самара

Самарский государственный технический университет

2022

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Электроэнергетика, электротехника и

автоматизация технологических процессов»
Т.А. КСЕНАФОНТОВА

МОДЕЛИРОВАНИЕ

ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ

В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ

ELCUT
Методические указания к практическому занятию

Самара

Самарский государственный технический университет

2022

Печатается по решению ученого совета СамГТУ (протокол № 8 от 28.03.2019 г.).
УДК 004.62:004.5(076,5)

ББК 32.97:30.14я73

В 20
Ксенафонтова Т.А.

Моделирование температурного поля в программном комплексе ELCUT: методические указания к практическому занятию/ Т.А. КСЕНАФОНТОВА. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2022. – 10 с.

Методические указания предназначены для использования в ходе выполнения практического занятия по дисциплине «Техническая термодинамика и теплотехника» обучающимися по направлению подготовки 18.03.01 Химическая технология.

Практическое занятие «Моделирование температурного поля в программном комплексе ELCUT» помогает овладеть навыками применения основных законов естественнонаучных дисциплин, математических методов описания и математических моделей термодинамических систем для решения профессиональных задач в рамках освоения общепрофессиональной компетенции ОПК-1, заключающейся в способности и готовности использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности.
Рецензент: канд. техн. наук, доцент В.В. Козлов
УДК 004.62:004.5(076,5)

ББК 32.97:30.14я73

В 20


© Т.А. Ксенафонтова, 2022

© Самарский государственный

технический университет, 2022

Методические указания к практическому занятию
КСЕНАФОНТОВА Татьяна Алексеевна
Моделирование температурного поля

в программном комплексе elcut

Редактор Н.В. Беганова

Компьютерная верстка И.О.Миняева

Выпускающий редактор Ю.А.Петропольская

Подп. в печать 03.09.19

Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная

Усл. п.л. 4,12. Уч.-изд. л. 4,05

Тираж 30 экз. Рег. № 183/19



Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Самарский государственный технический университет»

443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Главный корпус
Отпечатано в типографии

Самарского государственного технического университета

443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Корпус № 8

Пояснительная записка

Дисциплина Техническая термодинамика и теплотехника относится к вариативной части дисциплин образовательной программы и формирует у обучающихся по направлению подготовки 18.03.01 Химическая технология набор специальных знаний и компетенций, необходимых для выполнения производственно-технологической и проектной деятельности.

Практическое занятие «Моделирование температурного поля в программном комплексе ELCUT» помогает овладеть навыками применения основных законов естественнонаучных дисциплин, математических методов описания и математических моделей термодинамических систем для решения профессиональных задач в рамках освоения общепрофессиональной компетенции ОПК-1, заключающейся в способности и готовности использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности.

Температурный анализ играет значимую роль при проектировании многих теплоэнергетических систем. Как правило, интерес представляют распределение температуры, температурного градиента, теплового потока и потерь тепла.

Программный комплекс ELCUT позволяет выполнить линейный и нелинейный стационарный температурный анализ в плоской и осесимметричной постановке. Используя модуль нестационарной теплопередачи, можно рассчитать тепловой переходный процесс с постоянными во времени граничными условиями.
Оборудование, программное обеспечение:

Программный комплекс ELCUT (интегрированная диалоговая система программ ELCUT)
Цели занятия:

• 
  Формирование умений моделирования теплоэнергетических устройств и графического построения температурного поля;
  
• 
  Приобретение практических навыков выполнения термодинамических расчетов.
  

Краткая теория

При распространении тепловой энергии внутри вещества температура в каждой его точке меняется со временем. Множество значений температуры в каждой точке вещества в определенный момент времени называется температурным полем.

Температурное поле является стационарным тогда, когда температура в веществе зависит только от направления в пространстве, то есть является функцией координат, но не изменяется с течением времени.

Изотермической поверхностью называется геометрическое место точек, в которых значения температуры равны.

Температурным градиентом называется вектор, направленный перпендикулярно изотермической поверхности в сторону увеличения температуры, и равный по величине производной от функции температуры t по направлению вектора нормали к изотермической поверхности n:

grad t = ∂t/∂n

Тепловым потоком называется скалярная величина, равная количеству теплоты, переносимому за единицу времени через изотермическую поверхность, то есть скорость прохождения тепловой энергии через изотермическую поверхность, – Q, [Вт=Дж/с].

Плотностью теплового потока называется отношение теплового потока, проходящего через некоторую изотермическую поверхность, к площади этой поверхности – q = Q / S, [Вт/м2].

В теории термодинамики рассматривают три основных вида передачи тепла (теплопередачи) в пространстве: излучение, конвекция и теплопроводность.

Излучение – это вид теплопередачи, при котором тепловая энергия переносится в пространстве посредством электромагнитных волн.

Конвекция – это вид теплопередачи, при котором тепловая энергия переносится в пространстве за счет потоков газа или жидкости из области с более высокой температурой в область с более низкой температурой.

Теплопроводность – это вид теплопередачи, при котором тепловая энергия передается от более нагретых участков вещества к менее нагретым за счет взаимодействия частиц вещества и обмена кинетической энергией между ними.

Для твердого тела уравнение теплопроводности подчиняется закону Фурье: Тепловой поток, передаваемый теплопроводностью, пропорционален градиенту температуры и площади сечения, перпендикулярного направлению теплового потока:

Q = -λ· S · ∂t/∂n,

или q = -λ · ∂t/∂n ·no = -λ·grad t,

где: q – вектор плотности теплового потока; λ – коэффициент теплопроводности, [Вт/(м·К)]. Численное значение вектора плотности теплового потока равно:

q = -λ· ∂t/∂n = -λ·|grad t|,

где: |grad t| – модуль вектора градиента температуры.

Коэффициент теплопроводности является физическим параметром вещества, характеризующим способность тела проводить теплоту. Она зависит от рода вещества, давления и температуры. Также на её величину влияет влажность вещества. Для большинства веществ коэффициент теплопроводности определяются опытным путем, а для технических расчетов берут из справочной литературы.

Конвективным теплообменом называется одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью. В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей. Основными факторами, влияющими на процесс теплоотдачи, являются следующие: 1). Природа возникновения движения жидкости вдоль поверхности стенки. Самопроизвольное движение жидкости (газа) в поле тяжести, обусловленное разностью плотностей её горячих и холодных слоев, называют свободным движением (естественная конвекция). Движение, создаваемое вследствие разности давлений, которые создаются насосом, вентилятором и другими устройствами, называется вынужденным (вынужденная конвекция). 2). Режим движения жидкости. Упорядоченное, слоистое, спокойное, без пульсаций движение называется ламинарным. Беспорядочное, хаотическое, вихревое движение называется турбулентным. 3). Физические свойства жидкостей и газов. Большое влияние на конвективный теплообмен оказывают следующие физические параметры: коэффициент теплопроводности (λ), удельная теплоемкость (с), плотность (ρ), коэффициент температуропроводности (а = λ/cр·ρ), коэффициент динамической вязкости (µ) или кинематической вязкости (ν = µ/ρ), температурный коэффициент объемного расширения (β = 1/Т). 4). Форма (плоская, цилиндрическая), размеры и положение поверхности (горизонтальная, вертикальная).
Контрольные вопросы

1. 
   Что называется температурным полем?
   
2. 
   Какое температурное поле называется стационарным?
   
3. 
   Что называется изотермической поверхностью?
   
4. 
   Дать определение температурного градиента.
   
5. 
   Дать определение теплового потока.
   
6. 
   Дать определение плотности теплового потока.
   
7. 
   Назовите виды теплопередачи.
   
8. 
   Дать определение теплового излучения.
   
9. 
   Дать определение конвекции.
   
10. 
    Дать определение теплопроводности.
    
11. 
    Сформулировать закон Фурье.
    
12. 
    Дать определение коэффициента теплопроводности.
    
13. 
    От чего зависит коэффициент теплопроводности?
    
14. 
    Дать определение удельной теплоемкости вещества.
    

Задание к практическому занятию:

Создание компьютерной модели теплоэнергетического устройства, содержащего источник тепловой энергии, геометрическое и физическое описание модели, графическое изображение распределения температурного поля на всех элементах устройства и в окружающей среде в программе ELCUT, предназначенной для инженерного моделирования электромагнитных, тепловых и механических задач методом конечных элементов.

Выбор теплоэнергетического устройства, содержащего источник тепловой энергии, для моделирования в соответствии с номером варианта:

1. 
   Камин электрический
   
2. 
   Электроплита
   
3. 
   Утюг электрический
   
4. 
   Масляный обогреватель
   
5. 
   Водонагреватель
   
6. 
   Электрочайник
   
7. 
   Парогенератор бытовой
   
8. 
   Радиатор водяной системы отопления
   
9. 
   Печь дровяная
   
10. 
    Инфракрасный обогреватель
    

Последовательность выполнения задания:

1. 
   Определить, какие элементы содержит конструкция выбранного нагревательного устройства;
   
2. 
   Построить геометрическую модель нагревательного устройства в программе ELCUT, задав геометрические параметры всех элементов модели;
   
3. 
   Используя справочную информацию, выяснить материал корпуса, стенок, нагревательного элемента, защитных и других элементов конструкции;
   
4. 
   Определить используемый в устройстве источник тепла: электрический нагревательный элемент или один из видов топлива;
   
5. 
   Для источника тепла определить мощность тепловыделения, используя справочную информацию;
   
6. 
   Для каждого элемента конструкции определить типы теплопередачи и оптимальные значения температур;
   
7. 
   Для теплопроводности элементов конструкции задать коэффициенты теплопроводности, используя справочную информацию;
   
8. 
   Для конвекционных потоков в однородных средах, содержащихся в конструкции, и теплообмена между элементами конструкции задать величину теплового потока, используя справочную информацию.
   
9. 
   Температуру окружающей среды принять равной 273К
   
10. 
    Внести физические свойства для всех элементов конструкции в программу ELCUT.
    
11. 
    Решить задачу стационарной теплопередачи с постоянным температурным полем в программе ELCUT для выбранного нагревательного устройства, то есть получить графическое представление
    

• 
  Конструкции выбранного нагревательного устройства;
  
• 
  Картину распределения температурного поля во всех элементах конструкции и в окружающей среде;
  
• 
  Вектора grad t в каждой точке температурного поля;
  
• 
  Изотермические поверхности температурного поля.
  

По окончанию выполнения задания представить решение задачи, сохранив результат решения для оценки выполнения задания.
При оценке выполнения задания учитываются:

• 
  соответствие заданных технических характеристик всех элементов модели табличным значениям;
  
• 
  энергетическая эффективность модели;
  
• 
  рациональное распределение тепловой энергии в соответствии с техническим предназначением нагревательного устройства.
  

Литература:

1. 
   Скрябин В.И. Курс лекций по теплотехнике. Изд. МФТИ
   
2. 
   Кудинов, И.В. Теоретические основы теплотехники : учеб. пособие / И. В. Кудинов, Е. В. Стефанюк; СГАСУ.- Самара, 2013.- 138 с..- Режим доступа:
   

https://elib.samgtu.ru/getinfo?uid=els_samgtu||elib||1769

3. 
   Кудинов, И.В. Теоретические основы теплотехники. Часть II. Математическое моделирование процессов теплопроводности в многослойных ограждающих конструкциях : учебное пособие / И. В. Кудинов, Е. В. Стефанюк; Самарский государственный технический университет, Самарский государственный архитектурно-строительный университет.- Самара, 2013.- 422 с..- Режим доступа: https://elib.samgtu.ru/getinfo?uid=els_samgtu||elib||4678