Исследование эффективности теплоотводящей поверхности объемного тела с внутренним теплонагруженным источником в аэродинамическом потоке
Эффективность теплоотводящей поверхности объемного тела с внутренним источником тепла. Электростатический аналог распределения теплового поля. Модель конвективного потока, при определенных условиях переходящего в отвод тепла теплопроводностью среды.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 11.01.2018 |
| Размер файла | 540,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Институт нанотехнологий, электроники и приборостроения
Южный федеральный университет
Исследование эффективности теплоотводящей поверхности объемного тела с внутренним теплонагруженным источником в аэродинамическом потоке
Н.Н. Чернов, А.В. Палий, А.В. Саенко
Аннотация
В работе произведено исследование эффективности теплоотводящей поверхности объемного тела с внутренним источником тепла. Подобран электростатический аналог распределения теплового поля. Предложена модель конвективного потока, при определенных начальных и граничных условиях переходящего в отвод тепла теплопроводностью среды. Сделан вывод о неэффективности выполнения теплоотводящей поверхности в виде штыревых, оребренных и прочих конструкций существующих теплоотводов, увеличивающих только массу, технологическую сложность изготовления, тепловое сопротивление и температуру теплонагруженного элемента.
Ключевые слова: температурное поле, конвективный теплоперенос, эффективная площадь теплоотвода, электростатический аналог, теория подобия.
Введение
Конвективным теплопереносом называется перенос тепла в результате движения масс газа или жидкости. Исследования и расчеты эффективности теплоотводящих поверхностей объемных тел известных конструкций, как и процессов течения газов и жидкостей, приводимые в литературных источниках [1-3] производятся при помощи гидродинамических критериев подобия. Механический перенос критериев подобия при изменении линейных размеров тел приводит к выводу, что с большей площади поверхности отводится и больше тепла. На этот же вывод наводит и многообразие существующих форм поверхностей: оребренная, штыревая, игольчатая, типа "краб" и другие. В литературе не приводятся также и данные об эффективности площади теплоотводящей поверхности и об оптимальности формы выступа на ней с точки зрения снижения температуры теплонагруженного элемента [4,5].
Говоря об исследовании и расчете эффективности теплоотвода в условиях теплопроводности воздуха (без конвекции) нам требуется, в качестве начальных и граничных условий, задать температуру окружающей среды (аэродинамического потока), количество тепла, выделяемого теплонагруженным источником, коэффициенты теплопроводности теплоотвода и рабочей среды и формы источника и объемного тела [6].
Описание исследования
Задача распределения теплового поля от теплонагруженного источника в условиях теплопроводности окружающей среды решается при помощи уравнения теплопроводности в установившемся режиме, при заданных граничных условиях, когда все тепло уходит на расстояние R, при R, стремящемся к бесконечности, и температуре . Можно представить задачу в виде следующей схемы (рис.1) [7].
Рис.1 - Распространение теплового поля от теплонагруженного источника при теплопроводности
В условиях конвекции среда с температурой из бесконечности приблизится со стороны потока к источнику, а сферическая изотерма преобразуется в общем виде в эллипсоид или в ближней зоне - параболоид. Вместо подставим , которая будет равна сумме температурной и потоковой составляющих, показанных на рис.2 [8].
тепловое поле внутренний источник тепло
Рис.2 - Распространение теплового поля от теплонагруженного источника при конвекции
Данная модель позволяет нам теперь решать статическую задачу, для чего следует подобрать соответствующий электростатический аналог. При этом источник будет заряжен положительно (+Q), а эллипсоид или параболоид отрицательно (-Q) (рис.3) [9].
Рис.3 - Электростатический аналог теплового поля от точечного источника в конвективном потоке в установившемся режиме
Таким образом, задача по конвективному тепломассопереносу сводится к задаче по теплопроводности.
Покажем теперь, что увеличение общей площади теплоотводящего тела не приводит к увеличению эффективной площади рассеяния, а дополнительно увеличивает сопротивление тепловому потоку. К примеру, если преобразовать тело в тонкую пластину, то увеличится его тепловое сопротивление и тем сильнее, чем сильнее отойти от эквитемпературных поверхностей источника. В данном случае верхняя часть пластины тепло отводить не будет, так как вся она находится в потоке горячего воздуха, идущего с нижней части. Если преобразовать форму тела еще сильнее, то, как видно из рис.4, тепло может не поступать и в нижнюю часть [10].
Рис.4 - Эффективная площадь отвода тепла от преобразованного тела с внутренним источником
Заключение
Таким образом, можно сделать вывод: основную массу тепла отводит малая часть объемного тела. Чем сильнее форма теплоотводящей поверхности тела будет отличаться от формы эквипотенциальных линий источника (для точечного источника в конвективном потоке - эллипсоид или параболоид), тем выше будет температура на источнике тепла при прочих равных условиях.
Штыри и ребра выполняемые на поверхности объемного тела это излишнее тепловое сопротивление и технологические сложности изготовления теплоотводов, не приводящие к увеличению эффективной поверхности теплоотвода и снижению температуры теплонагруженного источника.
Литература
1. Alex Townsend. A graduate introduction to numerical methods: From the Viewpoint of Backward Error Analysis // Springer, 2013. P.252.
2. Tien-Mo Shih. Numerical Heat Transfer // CRC Press, 1984. P.563.
3. Jamshid Ghaboussi, Xiping Steven Wu. Numerical Methods in Computational Mechanics // CRC Press, 2016. P.313.
4. W. H. Press, S. A. Teukolsky, W. T. Vetterling, B. P. Flannery, Numerical Recipes: The Art of Scientific Computing // Cambridge University Press, 2007. P.517.
5. G. Strang. Introduction to Linear Algebra // Wellesley-Cambridge Press, 2009. P.372.
6. Чернов Н.Н., Палий А.В., Саенко А.В., Бесполудин В.В. Оптимизация конструкции теплоотвода с внутренним теплонагруженным источником в условиях конвективного тепломассопереноса воздуха // XVIII Всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям, 2017. С.59-60.
7. Чернов Н.Н., Палий А.В., Саенко А.В., Бесполудин В.В. Исследование распределения температурного поля от точечного источника тепла в конвективном потоке численными методами // Инженерный вестник Дона, 2017. №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N3y2017/4307.
8. Палий А.В. Исследование способов улучшения тепловых режимов теплонагруженных микроэлектронных устройств. Кандидатская диссертация. Таганрог, 2007. C.140.
9. Кулагин А.В. Газодинамический подход к оценке потерь на теплоотдачу в простом газопроводе // Инженерный вестник Дона, 2013. № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1736.
10. Палий А.В., Саенко А.В., Бесполудин В.В. Влияние формы выступа и его расположения на поверхности радиатора на температуру источника тепла // Инженерный вестник Дона, 2016. № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/ archive/
n2y2016/3661.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Определение теплопродукции и радиационно-конвективной теплопотери. Расчет теплового потока со всей поверхности тела человека. Топография плотности теплового потока при ходьбе человека в состоянии комфорта. Затраты тепла на нагревание вдыхаемого воздуха.
презентация [350,7 K], добавлен 31.10.2013Определение коэффициента теплоотдачи при сложном теплообмене. Обмен теплотой поверхности твёрдого тела и текучей среды. Использование уравнения Ньютона–Рихмана при решении практических задач конвективного теплообмена. Стационарный тепловой режим.
лабораторная работа [67,0 K], добавлен 29.04.2015Основные шкалы измерения температуры. Максимальное и минимальное значение в условиях Земли. Температура среды обитания человека. Температурный фактор на территории Земли. Распределение температуры в различных областях тела в условиях холода и тепла.
доклад [1,0 M], добавлен 18.03.2014Внутренняя энергия нагретого тела. Источники теплового излучения. Суммарное излучение с поверхности тела. Интегральный лучистый поток. Коэффициент излучения абсолютно черного тела. Степень черноты полного нормального излучения для различных материалов.
реферат [14,7 K], добавлен 26.01.2012Законы распределения плотности тепловыделения. Расчет температурного поля и количества импульсов, излучаемых дуговым плазматроном, необходимого для достижения температуры плавления на поверхности неограниченного тела с учетом охлаждения материала.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 05.03.2015Определение параметров цикла со смешанным подводом теплоты в характерных точках. Политропное сжатие, изохорный подвод тепла, изобарный подвод тепла, политропное расширение, изохорный отвод тепла. Количество подведённого и отведённого тепла, КПД.
контрольная работа [83,3 K], добавлен 22.04.2015Конвективный теплообмен - распространение тепла в жидкости (газе) от поверхности твердого тела или к ней. Смысл закона Ньютона, дифференциального уравнения Фурье - Кирхгофа и критериального уравнения Навье – Стокса. Теплоотдача при конденсации паров.
реферат [208,1 K], добавлен 15.10.2011Особенности конструкции разработанной фритюрницы для приготовления картофеля фри. Расчет полезно используемого тепла. Определение потерь тепла в окружающую среду. Конструирование и расчет электронагревателей. Расход тепла на нестационарном режиме.
курсовая работа [358,0 K], добавлен 16.05.2014История теплового аккумулирования энергии. Классификация аккумуляторов тепла. Аккумулирование энергии в атомной энергетике. Хемотермические энергоаккумулирующие системы. Водоаммиачные регуляторы мощности. Аккумуляция тепла в калориферных установках.
реферат [1,5 M], добавлен 14.05.2014Эффективное излучение, радиационный и тепловой баланс земной поверхности. Закономерности распространения тепла вглубь почвы. Пожарная опасность леса. Расчет температуры поверхности различных фоновых образований на основе радиационного баланса Земли.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 01.03.2013Определение мощности теплового потока при конвективной теплопередаче через трубу заданного диаметра. Расход пара на обогрев воды в пароводяном теплообменнике, превращение пара в конденсат. Изменение температуры теплоносителей вдоль поверхности нагрева.
контрольная работа [308,7 K], добавлен 13.05.2015Исследование свойств теплопроводности как физического процесса переноса тепловой энергии структурными частицами вещества в процесс их теплового движения. Общая характеристика основных видов переноса тепла. Расчет теплопроводности через плоскую стенку.
реферат [19,8 K], добавлен 24.01.2012Описание процесса передачи тепла от нагретого твердого тела к газообразному теплоносителю. Определение конвективного коэффициента теплоотдачи экспериментальным методом и с помощью теории подобия. Определение чисел подобия Нуссельта, Грасгофа и Прандтля.
реферат [87,8 K], добавлен 02.02.2012Понятие конвективного теплообмена (теплоотдачи). Схема изменения температуры среды при конвективном теплообмене. Система уравнений, которая описывает конвективный перенос. Основной закон теплоотдачи, расчет ее коэффициента. Критерии теплового подобия.
презентация [207,9 K], добавлен 28.09.2013Описание теоремы Гаусса как альтернативной формулировки закона Кулона. Расчеты электростатического поля заданной системы зарядов в вакууме и вычисление напряженности поля вокруг заряженного тела согласно данных условий. Сравнительный анализ решений.
контрольная работа [474,5 K], добавлен 23.11.2010Характеристика особенностей возникновения теплового излучения. Изучение законов теплового излучения черного тела Стефана - Больцмана и Вина. Развитие квантовой теории Эйнштейном. Связь между испускательной и поглощательной способностями черного тела.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 28.03.2013- Расчет параметров теплоэнергетической установки с промежуточным перегревом пара и регенерацией тепла
Параметры рабочего тела во всех характерных точках идеального цикла. Определение КПД идеального цикла Ренкина. Энергетические параметры для всех процессов, составляющих реальный цикл. Уравнение эксергетического баланса. Цикл с регенеративным отводом.
курсовая работа [733,4 K], добавлен 04.11.2013 Момент инерции тела относительно неподвижной оси в случае непрерывного распределения масс однородных тел. Теорема Штейнера. Кинетическая энергия вращающегося твердого тела. Плоское движение твердого тела. Уравнение динамики вращательного движения.
презентация [163,8 K], добавлен 28.07.2015Жидкостные тепловые аккумуляторы. Физические основы для его создания. Аккумуляторы тепла, основанные на фазовых переходах. Особенности тепловых аккумуляторов с твёрдым теплоаккумулирующим материалом. Конструкция теплового аккумулятора фазового перехода.
реферат [726,5 K], добавлен 18.01.2010Расчет теплового режима блока в герметичном корпусе с внутренним перемешиванием. Средняя скорость перемешивания воздуха в блоке. Коэффициенты, зависящие от атмосферного давления окружающей среды. Определение перегрева нагретой зоны и удельной мощности.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 26.02.2015
