Нестационарная теплопроводность
Записать нестационарное уравнение с учётом ρ и c. Понимать роль начальных условий и характерного времени. Анализировать прогрев пластины и число Био. Учитывать зависимость свойств от температуры
Предварительные понятия
Почему тепловые процессы медленные
Электромагнитные поля в устройствах устанавливаются за доли секунды, тепловые — за минуты и часы. Обмотка двигателя после включения греется десятки минут, бетонная стена «чувствует» суточный ход температуры с задержкой в несколько часов, а при коротком замыкании провод успевает перегреться быстрее, чем сработает защита. Все эти задачи — о том, как температурное поле меняется во времени: за это отвечает левая часть уравнения теплопроводности, которой мы до сих пор пренебрегали.
Нестационарные задачи важны и по другой причине: в них проявляется разница между скоростью нагрева (как быстро) и степенью неравномерности температуры в теле (насколько поверхность опережает центр). Эти два вопроса управляются двумя разными безразмерными числами, и путать их — самая частая ошибка.
Нестационарное уравнение и температуропроводность
Полное уравнение теплопроводности, выведенное в уроке о законе Фурье: Здесь — плотность массы, кг/м³, — удельная теплоёмкость, Дж/(кг·К). Произведение — объёмная теплоёмкость — показывает, сколько энергии надо вложить в единицу объёма, чтобы поднять его температуру на один кельвин; оно характеризует инерционность тела. Для однородной среды без источников уравнение делится на :
Коэффициент температуропроводности
, м²/с. Это отношение способности среды проводить тепло к её способности накапливать тепло; оно определяет скорость, с которой выравнивается температура. Материал с большой может быть «медленным», если велика его теплоёмкость, и наоборот.
| Материал | , Вт/(м·К) | , кг/м³ | , Дж/(кг·К) | , м²/с |
|---|---|---|---|---|
| Медь | 400 | 8930 | 385 | |
| Сталь | 50 | 7850 | 480 | |
| Бетон | 1,5 | 2300 | 880 | |
| Воздух | 0,026 | 1,2 | 1005 |
Любопытно, что у воздуха температуропроводность выше, чем у стали: тепло он проводит плохо, но и запасать его почти не способен.
Для полной постановки задачи к уравнению и граничным условиям добавляется начальное условие — распределение температуры в момент : Чаще всего начальное распределение однородно: . Как и в стационарной задаче, удобно работать с превышением над температурой среды — уравнение для него то же.
Характерное время
Уравнение содержит единственный размерный параметр с единицей м²/с. Если характерный размер тела , то из и можно составить ровно одну величину с размерностью времени: Это оценка времени, за которое температурное возмущение проходит расстояние внутри тела. Квадратичная зависимость от размера — главный качественный факт нестационарной теплопроводности: вдвое более толстая пластина прогревается в четыре раза дольше. Для стальной пластины мм: с; для бетонной стены м: с, почти четыре часа. Аналогия с электромагнитной диффузией поля в проводник здесь полная: уравнение то же, роль играет .
Два безразмерных числа
Рассмотрим тело с характерным размером и теплопроводностью , омываемое средой с коэффициентом теплоотдачи . У процесса два «сопротивления»: внутреннее, кондуктивное , и внешнее, конвективное .
Число Био
— отношение внутреннего теплового сопротивления тела к внешнему сопротивлению теплоотдачи. При тепло внутри тела выравнивается гораздо легче, чем уходит с поверхности: температура практически однородна по объёму, и всё «сопротивление» сосредоточено на границе. При поверхность почти сразу принимает температуру среды, а внутри тела существует большой перепад.
Число Фурье
— безразмерное время: отношение прошедшего времени к характерному времени диффузии тепла . При возмущение ещё не достигло центра тела; при процесс близок к завершению.
Число Био характеризует форму температурного профиля (насколько тело неизотермично), число Фурье — стадию процесса. Решение любой задачи о прогреве тела простой формы с однородным начальным условием и конвекцией на границе имеет вид ; для пластин это и есть то, что показывает лаборатория.
Модель тела с сосредоточенной ёмкостью
При перепад температуры внутри тела не превышает нескольких процентов перепада между телом и средой, и тело можно считать точкой с одной температурой . Такой подход называют моделью с сосредоточенной теплоёмкостью.
Остывание тела с однородной температурой
Пусть тело объёма и площади поверхности с начальной температурой помещено в среду , теплоотдача . Баланс энергии для всего тела: убыль внутренней энергии равна отданному через поверхность теплу, Для превышения это линейное уравнение с решением Постоянная времени — произведение теплоёмкости тела на тепловое сопротивление теплоотдачи : полный аналог -цепи. За время превышение падает в раз, за — в десять раз, за — до %.
Условие применимости записывают через характерный размер : для пластины толщиной это , для цилиндра радиуса — , для шара — . Заметим, что в этой модели не зависит от — вся динамика определяется ёмкостью тела и теплоотдачей, а не теплопроводностью. Показатель экспоненты можно записать и через безразмерные числа: при .
Прогрев пластины: метод разделения переменных
Пластина толщиной () с начальной температурой с момента омывается с обеих сторон средой с теплоотдачей . Задача симметрична, достаточно половины . Для :
Решение в виде ряда
Ищем частные решения в виде произведения . Подстановка и деление на дают ; левая часть зависит только от , правая — только от , значит, обе равны постоянной, которую обозначим . Тогда (синус отброшен условием симметрии при ). Граничное условие при : , то есть Это характеристическое уравнение; у него бесконечно много корней , по одному на каждом интервале . Собственные функции ортогональны на , поэтому начальное условие разлагается по ним, и Коэффициенты получаются умножением на и интегрированием по с учётом [Лыков].
Ряд сходится тем быстрее, чем больше : члены убывают как , а , так что уже при второй член меньше первого примерно в раз — на практике это менее – %. Отсюда одночленное приближение (стадия регулярного режима): В регулярном режиме температура в каждой точке убывает по одной экспоненте с темпом , а отношение превышений температуры поверхности и центра постоянно и равно . Предельные случаи поучительны: при уравнение даёт , , и одночленное приближение переходит в модель сосредоточенной ёмкости ; при (граничное условие первого рода) , .
Стальная пластина в потоке воздуха
Пластина мм из стали (, м²/с, Дж/(м³·К)) с °C обдувается воздухом °C, Вт/(м²·К). Через какое время центр остынет на % перепада, то есть до °C?
Число Био: — пластина практически изотермична. Корень : (близко к ); . Условие в центре: Проверка по модели сосредоточенной ёмкости (): с, с. Расхождение около % — ожидаемо при . Превышение температуры поверхности отличается от превышения в центре множителем , то есть на %.
Бетонная плита
Плита м (, ) при Вт/(м²·К): . Корень , . Для % в центре , с ч. Модель сосредоточенной ёмкости дала бы с — ошибка % в сторону занижения: при центр заметно отстаёт от поверхности ().
Полуограниченное тело
Если тело толстое, а время мало (), возмущение с поверхности не успевает дойти до противоположной стороны, и тело можно считать полуограниченным (). При скачке температуры поверхности от к в момент решение выражается через дополнительную функцию ошибок [Тихонов]: Профиль зависит только от комбинации : глубина прогрева растёт как . Так как , на глубине изменение температуры составляет около % — это условная глубина проникновения. Для бетона за сутки м, глубина проникновения около м: суточные колебания температуры воздуха почти не ощущаются на глубине метра. Плотность потока на поверхности убывает как и в начальный момент неограниченна — скачок температуры поверхности физически требует бесконечно большой теплоотдачи.
Свойства, зависящие от температуры
Если , или зависят от , уравнение нелинейно. Разделение переменных и суперпозиция теряют силу: решение при удвоенном перепаде не равно удвоенному решению, собственные функции не существуют. Преобразование Кирхгофа, спасавшее стационарную задачу, здесь не помогает: коэффициент при производной по времени, , остаётся зависящим от температуры. Остаётся численное решение, в котором на каждом шаге по времени свойства берутся при текущей температуре. Для стали в диапазоне до °C изменение и достигает десятков процентов, так что при больших перегревах пренебрегать им нельзя.
Численное решение: шаги по времени
Разобьём пластину на узлы с шагом , время — на слои с шагом ; — температура узла в момент . Вторую производную заменяем разностью , первую по времени — . Вопрос только в том, в какой момент брать пространственную разность.
- Явная схема: берём её на известном слое , Каждое новое значение вычисляется напрямую. Но схема устойчива лишь при иначе ошибки округления растут от шага к шагу и решение «разваливается» в пилу. Смысл условия: за шаг по времени тепло не должно диффундировать дальше соседнего узла. Измельчение сетки вдвое требует уменьшения вчетверо — для тонких сеток явная схема становится непомерно дорогой.
- Неявная схема: разность берём на новом слое . На каждом шаге решается система линейных уравнений с трёхдиагональной матрицей (это недорого), зато схема устойчива при любом ; точность по времени — первого порядка.
- Схема Кранка–Николсон: полусумма явной и неявной. Безусловно устойчива и имеет второй порядок точности по времени, поэтому её применяют чаще всего [Самарский].
Устойчивость не означает точности: при слишком большом неявные схемы дают гладкое, но неверное решение. Правило — должен быть малым по сравнению с характерным временем процесса, который мы хотим разрешить; проверка — повторный расчёт с уменьшенным шагом (сходимость).
Лаборатория
Лаборатория моделирует пластину толщиной с начальной температурой , которая с момента охлаждается или нагревается конвекцией (, ) с обеих сторон (используется симметрия) либо получает заданную температуру поверхности. Численное решение строится схемой Кранка–Николсон (60 узлов по половине толщины, предвычисленная временная шкала) и сравнивается с аналитическим рядом из 30 членов. Слайдер времени и воспроизведение позволяют проследить эволюцию профиля. Выводятся , , , температуры центра и поверхности (численно и по ряду), накопленное на единицу площади тепло и его отношение к предельному значению , время достижения центром % перепада; графики в текущий момент и истории , . Опция зависимости доступна только в численном решении — аналитический ряд для неё не существует.
Открыть опыт: Нестационарный прогрев пластины
Что стоит проделать:
- Задайте стальную пластину из примера (). Убедитесь, что кривые центра и поверхности сливаются, а время достижения % совпадает с расчётом.
- Увеличьте до (вода) при той же пластине: . Поверхность теперь заметно опережает центр; вычислите по одночленному приближению при нескольких , сравните с показаниями лаборатории и найдите, с какого они совпадают.
- Удвойте толщину при прочих равных и измерьте, во сколько раз выросло время достижения %. Повторите при малом и при большом и объясните разницу.
- Переключитесь на заданную температуру поверхности () и проверьте, что в регулярном режиме убывает как .
- Включите и посмотрите, как аналитический ряд расходится с численным решением на стадии большого перегрева и сходится с ним к концу процесса.
Распространённые заблуждения
- Путаница и . Число Био — свойство задачи (материал, размер, теплоотдача) и говорит о форме профиля; число Фурье — безразмерное время и говорит о стадии процесса. « мало — значит, быстро прогреется» — неверно: мало у тонкого медного листа и у толстого стального в слабом потоке воздуха, а времена их прогрева различаются на порядки.
- «Вдвое толще — вдвое дольше». Характерное время пропорционально : вдвое более толстая пластина прогревается в четыре раза дольше. Лишь в пределе , где время определяется теплоотдачей, растёт линейно с толщиной — но и там удвоение толщины удваивает не из-за теплопроводности, а из-за удвоенной теплоёмкости на единицу поверхности.
- Модель сосредоточенной ёмкости при большом . При (бетонная плита) она занижает время на %, при ошибается качественно: при заданной температуре поверхности и формула даёт .
- Одночленное приближение при малых . На начальной стадии оно даёт в центре — физически бессмысленно. Ранняя стадия требует либо нескольких членов ряда, либо решения для полуограниченного тела.
- «Устойчивая схема — значит, точная». Безусловная устойчивость неявных схем позволяет брать любой , но крупный шаг сглаживает быстрые стадии процесса. Точность проверяется сгущением сетки по и по .
Вопросы и упражнения
- Медный шар диаметром мм ( Дж/(м³·К)) остывает в воздухе с Вт/(м²·К). Проверьте применимость модели сосредоточенной ёмкости и найдите постоянную времени и время остывания от до °C при °C.
- Для стальной пластины из примера найдите время, за которое поверхность остынет на %, и сравните со временем для центра. Почему при разница мала?
- Покажите, что при из следует , а показатель переходит в модели сосредоточенной ёмкости.
- Бетонную плиту толщиной м заменили плитой м при том же . Как изменились и ? Оцените по одночленному приближению, во сколько раз выросло время достижения % в центре. Почему оно выросло меньше, чем в четыре раза?
- Явный расчёт стальной пластины ведётся с шагом мм. Каков максимально допустимый ? Сколько шагов потребуется, чтобы досчитать до с? Что изменится при мм?
- Грунт ( м²/с) охлаждается с поверхности. Оцените глубину, на которой через месяц изменение температуры составит около % поверхностного. Почему годовые колебания проникают глубже суточных, и во сколько примерно раз?
1. мм; — модель применима с большим запасом. с. Остывание от превышения К до К: с мин. 5. с; до с нужно около шагов. При мм допустимый уменьшится вчетверо, число шагов вырастет до (и ещё вдвое больше узлов на каждом шаге). 6. За месяц м; глубина % около м. Глубина проникновения растёт как , поэтому годовые колебания проникают в раз глубже суточных.Ответы к пунктам 1, 5 и 6
Итоги
- Нестационарное уравнение требует начального условия; скорость выравнивания температуры задаёт температуропроводность , а характерное время растёт квадратично с размером.
- Число Био определяет форму профиля (неизотермичность тела), число Фурье — стадию процесса.
- При работает модель сосредоточенной ёмкости: , — аналог -цепи.
- Прогрев пластины описывается рядом по собственным функциям с корнями уравнения ; при достаточно первого члена.
- Зависимость свойств от температуры делает задачу нелинейной и доступной только численно; явная схема устойчива при , неявные схемы (в том числе Кранка–Николсон) устойчивы всегда, но точность всё равно требует проверки сходимости.
Далее — связанные электромагнитно-тепловые задачи: потери как источники тепла и обратное влияние температуры на проводимость.