Диссертация (Физическое и математическое моделирование теплообмена в керамических конструкционных материалах), страница 12

Следует отметить, что все погрешности являются положительными и, следовательно, термопары завышаютдействительные значения температур. Т.е. рассчитанные по ним λ материалабудут смещены в более высокую область температур по сравнению с действительной, а сами λ могут иметь более низкие величины. Такое рассогласование результатов усиливается по мере повышения температуры прогреваобразца. Проведенные расчёты показали, что одномерная математическаямодель теплопереноса в многослойной пластине не в полной мере описываеттепловые процессы, протекающие в образце исследуемого материала и первичных преобразователях в ходе эксперимента. Даже применение способавнесения поправок на термопарное возмущение теплового поля образца с целью снижения методической погрешности измерений не уменьшает общуюпогрешность эксперимента.2.4.7.

Применение двухмерной математической модели теплопроводности коценке влияния термопар на методическую погрешность экспериментаТермопары, устанавливаемые в образец, вносят погрешность в измерениятемператур [61,] и увеличивают методическую погрешность определения теплопроводности. На точность измерения температуры могут влиять как взаимное расположение их в образце, так и условия теплового контакта термопар сматериалом образца. Анализ результатов установки термопар в пазы образцауказывает на три варианта теплового контакта: полный контакт термопары сматериалом образца, контакт с наличием воздушного зазора с боковой стороны термопары не превышающего её диаметр, контакт с наличием боковоговоздушного зазора в виде щели протяжённостью более 3 диаметров.77Двухмерная математическая модель прогнозирования погрешностейпо постановке являлась задачей внутреннего теплообмена в части образца, содержащей первичные преобразователи температуры в виде термопар.

С геометрической точки зрения она представляет собой поперечный разрез образца7х7 мм, в сечении горячих спаев термопар. Её граничные условия задавали ввиде значений приведённых коэффициентов теплоотдачи для боковой итыльной поверхностей модели. Расчёты, выполненные в рамках первого этапа на трёх мерной модели радиационно–кондуктивного теплопереноса, показали, что приведённые коэффициенты теплоотдачи через боковые поверхности стержней составной пластины изменяются в процессе испытаний в пределах не превышающих по абсолютной величине 3 Вт/(м2∙град). Среднее значение коэффициента теплоотдачи тыльной поверхности равно 20 Вт/(м2·град).Эти величины близки к рассчитанным по термограммам проведённого теплофизического эксперимента значениям приведённых коэффициентов теплоотдачи.

Их изменения в процессе испытаний приведены на рисунке 2.22.1, 2 - коэффициенты теплоотдачи тыльной и боковой поверхности образца соответственноРисунок 2.22– Изменения приведённых коэффициентов теплоотдачи вобразце в процессе испытанийПрименение мелкой равно шаговой двухмерной координатной сетки(dy=dx=0,2 мм) в расчётной схеме дало возможность оценить погрешностьизмерения температур термопарами в течение всего процесса нагрева образ78ца, обусловленную как особенностями установки этих термопар в образце,так и состоянием теплового контакта между термопарами и материалом, полученным в процессе выполнения монтажных работ.Варианты установки термопар в образце с учётом условий их плотноготеплового контакта с материалом образца:вариант 11 – термопары размещены в образце по вертикали в одномстолбце на расстояниях 0,7; 1,7; 6,3 мм от фронтальной поверхности;вариант 21 – термопары разнесены по горизонтали одна от другой сшагом 0,2мм;вариант 31 – термопары разнесены по горизонтали одна от другой сшагом 0,4мм.Варианты установки термопар в образце с учётом их одностороннего бокового воздушного зазора с материалом образца:вариант 12 – термопары расположены в образце аналогично варианту 11,но имеют воздушный зазор 0,2 мм м;вариант 22 – термопары расположены в образце аналогично варианту 21,но имеют воздушный зазор 0,2 мм;вариант 32 – термопары расположены в образце аналогично варианту 31,но имеют воздушный зазор 0,2 мм;вариант 23 – термопары расположены в образце аналогично варианту 21,но имеют воздушный зазор в виде щели 0,6 мм.Результаты расчётов коэффициентов теплопроводности для описанныхвыше способов установки термопар в боковых пазах образца из кварцевойкерамики приведены на рисунке 2.23.791-4 – воздушный зазор 0,2 мм; 5 – воздушный зазор для термопарот верхней к нижней 0,4; 0,6; 0,8 мм соответственноРисунок 2.23 – Температурные зависимости теплопроводности с учётомвзаимного расположения термопар в образце и бокового воздушногозазора между ними и материаломВыполненные согласно программе ICP-3 расчёты теплопроводности показали, что для исследованных условий даже без внесения поправок в показания термопар приведённая методическая погрешность ɛм для вертикального расположения термопар друг под другом не превышает 6 %, при их смещении по горизонтали на 0,4 мм – 5 %, при смещении на 0,2 мм – 4 % длякварцевой керамики.

Для стеклокерамики аналогичные условия заделки термопар в образце приводят к следующим значениям методической погрешности 7 %, 6 %, 4% соответственно. Для керамики из нитрида кремния 7 %, 4 %,3 %. При установке термопар в пазы образца с воздушным боковым зазоромв виде щели превышающим 0,3 мм ɛм = 42 % для кварцевой керамики , ɛм =48 % для стеклокерамики, ɛм = 20,5 % для нитрид кремниевой керамики.802.5. Выводы к главе1.Разработана математическая модель сопряжённого радиационнокондуктивного нестационарного теплообмена для оценки теплового состояния элементов установки радиационного нагрева в процессе проведения испытаний по определению ТФС исследуемых материалов.

Показана целесообразность применения такой модели при выполнении проектных работ по созданию установок радиационного нагрева образцов.2.Проведены исследования по оценке погрешностей определения ТФС спомощью программы решения КОЗТ ICP-3 для образца в виде пластинытолщиной 7 мм, полностью охватывающей диапазон толщин оболочекнатурных конструкций. Расчёты показали, что для темпов нагрева образца изкварцевой керамики 5–15 град/с приведённая погрешность определения коэффициента теплопроводности находится в пределах 5–6%. Обоснованоприменение скорости нагрева фронтальной поверхности образца равной5 град/с и приведённых коэффициентов теплоотдачи на тыльной и боковойповерхностях, изменяющихся в процессе испытаний в пределах от 0 до 30Вт/(м2·град)) и от -3 до 3 Вт/(м2·град)) соответственно.3.Разработана двухмерная математическая модель для оценки погрешности сигналов термопар, установленных в образце.

Расчёты показали, что этотпараметр зависит от условий нагрева и охлаждения фронтальной и тыльнойсторон образца и значения коэффициента теплоотдачи через его боковые поверхности.4.Показано, что при соблюдении указанных условий испытаний определение коэффициента теплопроводности допустимо проводить без внесенияпоправок в показания термопар5.На основании расчетов установлено, что в качестве образца для определения ТФС исследуемого материала целесообразно применение составнойпластина из 8 стержней квадратного сечения размерами 7·7·60 мм каждый.813. Автоматизированный стенд для теплофизических исследованийкерамических материалов3.1.Предпосылки создания.В первой главе было показано, что в настоящее время для исследованиятеплофизических свойств керамических материалов разработаны новые методы, обладающие рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами. В частности, они позволяют в десятки раз сократить продолжительность экспериментов, расширить температурный диапазон экспериментальных данных, одновременно проводить испытания нескольких образцов видентичных условиях.

Для практического использования указанных методовсуществующее испытательное оборудование малопригодно, так как или непозволяет достигать нужного уровня температуры за приемлемое время, илидля этого нужны неоправданно большие энергетические затраты. В связи сэтим возникла необходимость в создании нового оборудования с более высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, учитывающими возможности современной микроэлектроники, вычислительной техники иуровень разработок необходимого программного обеспечения [78,79]. Егоструктура имеет модульный принцип комплектования. Она должна включатьв свой состав непосредственно установку, создающую необходимый тепловой режим испытаний, систему задания и управления этим режимом, информационно – измерительную систему (ИИС) для измерения и сбора данных отпервичных преобразователей о температурном поле объекта исследований впроцессе работы, устройство сопряжения, компьютер.