Решение обратных задач теплопроводности для элементов конструкций простой геометрической формы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДНЕПРОПЕТРОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ПГД И ТМО

НА ТЕМУ: «РЕШЕНИЕ ОБРАТНЫХ ЗАДАЧ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ДЛЯ

ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ПРОСТОЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКО ФОРМЫ»

ВЫПОЛНИЛА: СТ. ГР. МТ-98-1

ДАЦЕНКО И. Н.

ДНЕПРОПЕТРОВСК

-2001-

Постановки задач о теплообмене между твердым телом или некоторой системой и окружающей средой рассматрива¬ются с точки зрения соотношений причина—следствие. При этом к причинным характеристикам теплообменного процесса в теле (сис¬теме) в соответствии с принятой моделью отнесем граничные усло¬вия и их параметры, начальные условия, теплофизические свойст¬ва, внутренние источники тепла и проводимости, а также геометри¬ческие характеристики тела или системы. Тогда следствием будет то или иное тепловое состояние, определяемое температурным полем исследуемого объекта.

Установление причинно - следственных связей составляет цель прямых задач теплообмена. Наоборот, если по определенной ин¬формации о температурном поле требуется восстановить причин¬ные характеристики, то имеем ту или иную постановку обратной задачи теплообмена.

Постановки обратных задач, в отличие от прямых, не соответ¬ствуют физически реализуемым событиям. Например, нельзя об¬ратить ход теплообменного процесса и тем более изменить течение времени. Таким образом, можно говорить о физической некоррект¬ности постановки обратной задачи. Естественно, что при математи¬ческой формализации она проявляется уже как математическая некорректность (чаще всего неустойчивость решения) и обратные задачи представляют собой типичный пример некорректно постав¬ленных задач в теории теплообмена.

Граничная ОЗТ — восстановление тепловых условий на гра¬нице тела. К этому типу задач отнесем также задачу, связанную с продолжением решения уравнения теплопроводности от некоторой границы, где одновременно заданы температура Т( х*, т) и плот¬ность теплового потока q( х*, т);

Организация охлаждения конструкции камер сгорания является одним из важнейших вопросов проектирования и по сравнению с другими типами тепловых машин усложняется тем, что тепловые процессы протекают при высоких температурах К и давлениях. Так как высокотемпературные продукты сгорания движутся по камере с очень большой скоростью, то резко возрастают коэффициент конвективной теплоотдачи от горячих продуктов сгорания к стенкам камеры и конвективные тепловые потоки , доходящие в критическом сечении сопла до 23,26 - 69,78 . Кроме того, теплообмен в конструкции характеризуется высоким уровнем радиации в камере, что приводит к большим лучистым тепловым потокам /13/.

Вследствие мощных суммарных конвективных и лучистых тепловых потоков в стенке камеры температура ее может достигать значений превышающих (1000 - 1500 С. Величина этих потоков определяется значениями режимных параметров, составом продуктов сгорания в ядре газового потока и в пристеночном слое, а также температурой внутренней поверхности конструкции. Из-за изменения диаметра проточной части по длине теплопровод от продуктов сгорания оказывается неравномерным. Неравномерным является также распределение температуры по периметру, обусловленное изменением состава продуктов сгорания.

Коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания определяется с учетом совместного воздействия конвективного и лучистого теплового потоков в соответствующем сечении конструкции узла по значениям параметров (давление, состав и температура продуктов сгорания в ядре газового потока и в пристеночном слое) на установившемся режиме эксплуатации /13/.

Время выхода рассматриваемых конструкций на установившийся тепловой режим соизмеримо и может оказаться даже большим времени их работы при эксплуатации. В этих условиях задача определения теплового состояния в период работы сводится к расчету прогрева их под воздействием высокотемпературных продуктов сгорания /1, 2/.

Рассмотрим следующую схему корпуса камеры сгорания.

На поверхности в сечении располагается по две точки замера, расположенных в диаметрально противоположных точках периметра корпуса.

В сечении I - I корпуса сопла можно представить в виде однослойной неограниченной пластины, двухслойной - сечение II - II (Рис.1).

Расчетные схемы элементов конструкции представлены на рисунке 2 и 3.

Обратная тепловая задача для пластины формулируется следующим образом. Требуется по замерам температуры и теплового потока к пластине (рис.2) при X = 0 найти изменения температуры и теплового потока на поверхности X = 1.

Решение обратной тепловой задачи в такой постановке целесообразно построить с использованием решения задачи Коши /3/.

В пространстве переменных задана некоторая гладкая поверхность Г. С каждой точкой связывается некоторое направление , некасательное Г.

В окрестности поверхности Г требуется найти решение уравнения.

удовлетворяющего условиям Коши

где - безразмерные время и координата.

Нетрудно убедиться, что решение задачи (1), (2), записанное в виде:

(3)

и является искомым /10/.

Утверждения о существовании решения (3), об аналитичности этого решения и его единственности в классе аналитических функций составляют содержание известной классической теоремы Коши - Ковалевской /11/.

Решение (13) при заданных и позволяет найти искомые изменения температуры и теплового потока Однако в такой интерпретации решения (3), где функции известны из эксперимента с некоторой заданной погрешностью, необходимо учитывать и тот факт, что вычисление операторов дифференцирования неустойчиво к возмущениям в исходных данных /12/.

Таким образом, имеем типичную некорректную задачу, для построения устойчивого решения которой необходимо построение регуляризирующих алгоритмов.

Сохраним в решении (3) конечное число слагаемых N. Введем обозначения

(4)

Интегрируя (4) получим систему интегральных уравнений Вольтерра первого рода:

, (5)

где k =1, 2, ... , N.

Соотношения для теплового потока в (3) записывается аналогично. В дальнейшем будем считать, что на поверхности X = 0 теплосъем отсутствует, то есть стенка теплоизолирована. Тогда решение (3) с учетом обозначений (4) записывается в виде

(6)

Таким образом, граничные условия при X = 1 восстанавливаются соотношением (6), в котором функции находятся из решения интегральных уравнений (5)

(7)

где правая часть задается приближенно, то есть

Здесь - числовой параметр, характеризующий погрешность правой части уравнения (7).

Задача (7) является, в общем случаи некорректно поставленной /12/. Наиболее распространенным в настоящее время эффективным регуляризующим алгоритмом для ее решения является алгоритм, основанный на минимизации функционала А.Н.Тихонова /12/.

(8)

С последующим выбором параметра регуляризации по так называемому принципу невязки.

Например, если - какая - либо экстремаль функционала (8), реализующая его глобальный минимум при заданном и фиксированном , то числовой параметр определяется из условия