Разработка виртуального стенда для изучения теплопроводности металлов

Аннотация: В статье представлены результаты разработки виртуального стенда для изучения процесса теплопроводности. Представлены основные возможности разработанного программного обеспечения. Показаны некоторые результаты использования стенда в процессе обучения.

Как правило, понимание характера переноса тепла теплопроводностью в стационарных условиях не вызывает у обучающихся каких-либо затруднений. Однако в случае нестационарного режима теплопроводности, особенно в телах сложной неканонической формы, возникают вопросы о характере распределения температур внутри твердого тела [1, c. 58; 2, с. 15]. При этом, для обучающихся важно визуально увидеть условно горячие и холодные области, а также понять скорость распространения тепла в твердом материале и сравнить ее с различными другими материалами с другим коэффициентом теплопроводности [3, c. 13].

Для реализации этой задачи был разработан виртуальный стенд, базирующийся на компьютере, позволяющий задать определенную конфигурацию твердого тела, температуры на границах и, визуально в режиме реального, или ускоренного, или замедленного времени, получить картину изменения теплового потока, температурных полей как для отдельного материала, так и для сравнения одного материала с другим.

В качестве материалов в базе данных используется значение коэффициента теплопроводности, измеренное для металлов как наиболее характерных материалов, используемых для экспериментов в технологических процессах. Определение температур, температурное поле рассчитывается исходя из постановки задачи. Далее задаются уравнения теплопроводности для плоской пластины (неограниченной) или для цилиндра, на выбор. В качестве граничных условий можно задавать граничные условия либо первого порядка, то есть постоянство температур на поверхностях, либо граничные условия третьего порядка, то есть теплоотдача с потоком некоторой среды, задается значение коэффициента теплоотдачи [4, c. 73].

На рис. 1 представлен характер визуализации температурного поля для образца прямоугольной формы при граничных условиях 1 рода.

Рис. 1. Характер температурного поля для образца прямоугольной формы при граничных условиях 1 рода

На рис. 2 представлена визуализация температурного поля для шарообразного образца при наличии граничных условий 1 и 3 рода на разных поверхностях в стационарном режиме.

Рис. 2. Характер температурного поля для шарообразного образца при граничных условиях 1 и 3 рода 

На рис. 3 представлено распределение температурного поля в некоторые моменты времени в нестационарном режиме для объекта неканонической формы.

Рис. 3. Характер температурного поля в нестационарном режиме для тела произвольной формы 

Как показывает практика, применение подобного рода виртуальных стендов позволяет лучше освоить тему теплопроводности.

 

Список литературы

1. Пахомов А. Н. Анализ свойств жидкой послеспиртовой барды / А. Н. Пахомов, Р. Ю. Банин, И. Г. Елисеева, Е. А. Черных // Наука в центральной России. – 2013. – № 2. – С. 57–61.
2. Пахомов А. Н. Возможности повышения энергоэффективности утилизации жидкой послеспиртовой барды / А. Н. Пахомов, Е. А. Ильин, А. В. Баландина, Л. А. Козлова, Е. А. Хатунцева // Наука в центральной России. – 2013. – № 55. – С. 14–17.
3. Пахомов А. Н. Исследование характера кипящего слоя в сушилке с инертными телами / Пахомов А. Н., Скрипникова С. Г., Сироткин А. О., Загребнев Р. С. // Инженерный вестник Дона. – 2016. – Т. 40. – № 1 (40). – С. 13.
4. Пахомов А. Н. Некоторые особенности моделирования сушилки с кипящим слоем инертных тел / А. Н. Пахомов, С. В. Васенина, И. А. Бирюкова, Е. Ю. Комбарова, И. Г. Позднышева // Инженерный вестник Дона. – 2016. – Т. 43. – № 4 (43). – С. 72.

 

Материал поступил в редакцию 23.06.2017
© Бирюкова И. А., Васенина С. В., 2017