Моделирование температурных полей при реализации метода неразрушающего теплофизического контроля | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: ,

Рубрика: Физика

Опубликовано в Молодой учёный №3 (62) март 2014 г.

Дата публикации: 24.02.2014

Статья просмотрена: 122 раза

Библиографическое описание:

Бородавкин Д. Г., Никулин С. С. Моделирование температурных полей при реализации метода неразрушающего теплофизического контроля // Молодой ученый. — 2014. — №3. — С. 25-28. — URL https://moluch.ru/archive/62/9359/ (дата обращения: 19.07.2018).

В случае неразрушающего контроля активными тепловыми методами, искомые теплофизические свойства (ТФС) проявляются через температурный отклик (термограмму) исследуемого объекта на тепловое воздействие, которому подвергается образец (или изделие) в специально организованном эксперименте. Реализация тепловых методов НК ТФС усложняется еще и тем, что тепловое воздействие и получение измерительной информации в ходе эксперимента возможно осуществлять только на ограниченном участке поверхности исследуемого объекта.

В методе неразрушающего контроля (НК) теплофизических свойств (ТФС) твердых материалов, измерительная схема которого представлена на рис. 1, тепловое воздействие на исследуемое тело с равномерным начальным распределением температуры осуществляется с помощью нагревателя постоянной мощности, встроенного в подложку измерительного зонда (ИЗ). В эксперименте фиксируется избыточная температура Т исследуемого тела в центре нагревателя и на расстояниях r1 и r2 от центра [1–3].

Рис. 1. Измерительная схема

Известно, что распределение температуры в исследуемом теле от плоского круглого источника тепла постоянной мощности радиусом Rп при t>>0 близко к распределению температуры в сферическом полупространстве со сферической полостью радиусом R, через которую осуществляется заданное тепловое воздействие с тем же удельным тепловым потоком q [4, 5].

Расчетное уравнение, описывающее распределение температуры в плоскости контакта двух полуограниченных тел от сферического источника тепла, получено решением соответствующей краевой задачи и имеет вид [6]:

  (1)

где a1, l1, e1, a2, l2, e2 — соответственно температуропроводности, теплопроводности и тепловые активности материалов исследуемого тела и подложки ИЗ; r — координата;

t — время.

При определении условий адекватности модели сферического полупространства реальному тепловому процессу найдено, что соотношение радиусов R и Rп, при котором температурные поля, создаваемые сферическим поверхностным и круглым плоским нагревателями, будут идентичными, имеет вид [6]:

                                                                                                                         (2)

Решение уравнения (1), полученное для сферического источника тепла, при r = R имеет вид:

.                                                                    (3)

При исследовании температурных полей в системе измерительный зонд — изделие авторы воспользовались численным моделированием двумерных полей методом конечных элементов с помощью пакета ELCUT [7].

В качестве материала исследуемого изделия был выбран политетрафторэтилен (ПТФЭ) со следующими ТФС: теплопроводность l1 = 0,25 Вт/м×К; удельная теплоемкость с1 = 1005 Дж/кг×К; плотность r1 = 2200 м3/кг. Материалом подложки измерительного зонда является пенополиуретан типа Рипор: l2 = 0,028 Вт/м×К; с2 = 1270 Дж/кг×К; r2 = 50 кг/м3.

Моделирование проводилось при следующих условиях: время нагрева t = 500 с; удельный тепловой поток q = 5000 Вт/м2; радиус поверхностного сферического нагревателя R = 0,002 м; радиус плоского нагревателя Rп=0,004 м. Между телами задавался идеальный тепловой контакт. Размеры тел подбирались так, чтобы внешние границы не влияли на формирование температурного поля и соблюдались условия полуограниченности.

Температурные поля в системе двух тел с одинаковыми ТФС (ПТФЭ — ПТФЭ) при нагреве от поверхностного сферического и плоского круглого нагревателя представлены на рис. 2 и 3, соответственно.

Из рис. 2 и 3 видно, что при больших значениях времени и r > Rп распределение температуры от плоского круглого источника тепла постоянной мощности идентично распределению температуры от поверхностного сферического нагревателя с тем же удельным тепловым потоком.

 

Рис. 2. Температурное поле от поверхностного сферического нагревателя постоянной мощности в системе двух тел с одинаковыми ТФС

 

Рис. 3. Температурное поле от плоского круглого нагревателя постоянной мощности в системе двух тел с одинаковыми ТФС

Авторами также проведено численное моделирование тепловых систем с плоским круглым нагревателем постоянной мощности, находящимся между двух полуограниченных тел с различными ТФС (Рипор и ПТФЭ) в следующих случаях: идеальный тепловой контакт тел; идеальная теплоизоляция между телами.

На рис. 4 представлено температурное поле, полученное при следующих условиях: идеальный тепловой контакт между телами из Рипора и ПТФЭ; t = 500 с; q = 5000 Вт/м2; Rпл = 0,004 м.

На рис. 5 представлено температурное поле, полученное при следующих условиях: идеальная теплоизоляция между телами из Рипора и ПТФЭ; t = 100 с; q = 5000 Вт/м2; Rпл = 0,004 м.

Рис. 4. Температурное поле от плоского круглого нагревателя постоянной мощности при идеальном тепловом контакте между телами с разными ТФС и t = 500 с.

Рис. 5. Температурное поле от плоского круглого нагревателя постоянной мощности при идеальной тепловой изоляции между телами с разными ТФС и t = 100 с.

Определение условий адекватности математической модели сферического полупространства реальному тепловому процессу от плоского круглого источника тепла [1], визуализация температурных полей в системе зонд — изделие позволили применить расчетные зависимости (1), (3) на рабочих участках термограмм в зондовом контактном методе неразрушающего контроля ТФС [1–3].

Реализация разработанного метода НК ТФС экспериментально осуществлялась с применением измерительной системы, схема и описание принципа работы которой детально представлены в работах [6, 8].

Литература:

1.                  Жуков Н. П., Майникова Н. Ф., Муромцев Ю. Л., Рогов И. В., Орлов В. В. Способ комплексного определения теплофизических свойств материалов // Патент на изобретение RUS № 2167412 22.02.1999.

2.                  Жуков Н. П., Рогов И. В., Чех А. С., Никулин С. С., Майникова Н. Ф. Способ неразрушающего определения теплофизических свойств твердых материалов // Патент на изобретение RUS № 2328725 17.11.2006.

3.                  Майникова, Н. Ф. Об одном методе термического анализа для неразрушающего контроля теплофизических свойств полимеров / Н. Ф. Майникова, Ю. Л. Муромцев, И. В. Рогов, А. А. Балашов // Пластические массы. — 2001. — № 1. — С. 30–33.

4.                  Жуков, Н. П. Моделирование процесса теплопереноса от плоского источника тепла постоянной мощности при теплофизических измерениях / Н. П. Жуков, Н. Ф. Майникова // Инженерно-физический журнал. — 2005. — Т.78, № 6. — С. 56–63.

5.                  Жуков, Н. П. Многомодельный метод неразрушающего определения теплофизических свойств материалов / Н. П. Жуков, Н. Ф. Майникова, И. В. Рогов, Е. В. Пудовкина // Инженерно-физический журнал. — 2012. — Т.85, № 1. — С. 188–194.

6.                  Жуков, Н. П. Многомодельные методы и средства неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и изделий / Н. П. Жуков, Н. Ф. Майникова. — М.: Машиностроение-1, 2004. — 288 с.

7.                  ELCUT / Руководство пользователя. СПб, 2003. 231 с.

8.                  Жуков, Н. П. Измерительно-вычислительная система неразрушающего контроля теплофизических свойств / Н. П. Жуков, Н. Ф. Майникова // Приборы и техника эксперимента. — 2005. –№ 4. — С. 164–166.

Основные термины (генерируются автоматически): температурное поле, плоский круглый нагреватель, исследуемое тело, распределение температуры, тело, идеальный тепловой контакт, неразрушающий контроль, плоский круглый источник, измерительный зонд, поверхностный сферический нагреватель.


Похожие статьи

Исследование температурных полей в методе неразрушающего...

измерительный зонд, равномерное начальное температурное распределение, граница раздела, неразрушающий контроль, тепловой поток, теплоизоляционное покрытие, тепловой процесс...

Измерительная система неразрушающего теплового контроля...

измерительная система, измерительный зонд, ZET, исследуемое изделие, толщина покрытий, измерительно-управляющая плата, измерительная схема ИС, неразрушающий контроль, тепловое воздействие, JTAG.

О регуляризации теплового процесса при неразрушающем...

С помощью зонда воздействуют тепловым потоком на исследуемое тело, снимают

По первому варианту, который применительно к неразрушающим контактным методам используется чаще всего, ТФС определяются на основе отдельных измерений температуры в...

Метод неразрушающего теплового контроля твердофазных...

Известны способы неразрушающего контроля температурно-временных характеристик структурных превращений в полимерных материалах, реализующие

Методы применены на моделях плоского и сферического распределения тепла в полупространстве [5, 6].

Виды периодического теплового воздействия в методах...

Ключевые слова: неразрушающий контроль, периодический нагрев, тепловой анализ, теплофизические свойства, твердые материалы.

При Sобщ= 0 начальное распределение температуры перестает влиять на изменение температурного поля, т. е. система выходит на...

Оптимизация конструкции измерительного устройства...

исследуемое изделие, центральная ось, контактная поверхность, центральная линия нагревателей, тепловой поток, нагреватель, температурное поле, математическое моделирование, измерительный зонд, избыточная...

Определение толщины защитных покрытий | Статья в журнале...

В методе неразрушающего теплового контроля изделий использован круглый плоский источник тепла, расположенный на поверхности полуограниченного в тепловом отношении объекта [6–8].

Математическое моделирование тепловых полей при...

Решения представлены графически в виде распределения температурных полей, шкал температур, так же приведено распределение тепловых потоков от нагревателя.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Исследование температурных полей в методе неразрушающего...

измерительный зонд, равномерное начальное температурное распределение, граница раздела, неразрушающий контроль, тепловой поток, теплоизоляционное покрытие, тепловой процесс...

Измерительная система неразрушающего теплового контроля...

измерительная система, измерительный зонд, ZET, исследуемое изделие, толщина покрытий, измерительно-управляющая плата, измерительная схема ИС, неразрушающий контроль, тепловое воздействие, JTAG.

О регуляризации теплового процесса при неразрушающем...

С помощью зонда воздействуют тепловым потоком на исследуемое тело, снимают

По первому варианту, который применительно к неразрушающим контактным методам используется чаще всего, ТФС определяются на основе отдельных измерений температуры в...

Метод неразрушающего теплового контроля твердофазных...

Известны способы неразрушающего контроля температурно-временных характеристик структурных превращений в полимерных материалах, реализующие

Методы применены на моделях плоского и сферического распределения тепла в полупространстве [5, 6].

Виды периодического теплового воздействия в методах...

Ключевые слова: неразрушающий контроль, периодический нагрев, тепловой анализ, теплофизические свойства, твердые материалы.

При Sобщ= 0 начальное распределение температуры перестает влиять на изменение температурного поля, т. е. система выходит на...

Оптимизация конструкции измерительного устройства...

исследуемое изделие, центральная ось, контактная поверхность, центральная линия нагревателей, тепловой поток, нагреватель, температурное поле, математическое моделирование, измерительный зонд, избыточная...

Определение толщины защитных покрытий | Статья в журнале...

В методе неразрушающего теплового контроля изделий использован круглый плоский источник тепла, расположенный на поверхности полуограниченного в тепловом отношении объекта [6–8].

Математическое моделирование тепловых полей при...

Решения представлены графически в виде распределения температурных полей, шкал температур, так же приведено распределение тепловых потоков от нагревателя.

Задать вопрос