исследование процессов теплопереноса на базе установки для

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕНОСА НА БАЗЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ
РЕГИСТРАЦИИ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ
И КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Г.В. Леонов, О.И. Пята, А.В. Андриевский,
Р.В. Мещеряков
БТИАлтГТУ, г. Бийск
Процесс теплопереноса является одними из самых распространенных физических
явлений. Для малых объемов время протекания процесса может составлять доли секунды.
Данный процесс можно исследовать как непосредственное измерение параметров процесса на
реальном объекте, так и с помощью математического описания.
Для решения поставленной задачи по исследованию быстропротекающих процессов
была создана установка на базе компьютера IBM PC, состоящая из следующих основных узлов,
представленная на рисунке 1. В качестве первичного преобразователя использовалась тонкая
термопара с открытыми спаями. Диаметр «горячего спая» термопары составлял 0,5 мм.
«Холодный спай» термопары помещали в сосуд Дьюара с тающим льдом, для обеспечения
точности результатов измерения. Аппаратная часть проектировалась с возможностью
регистрации параметров процессов, длительность которых изменяется в широких пределах от
долей микросекунды до нескольких секунд. Подобный подход позволяет использовать
установку для регистрации таких процессов как детонация, взрыв и т.п.
1
2
1
2
3
4
Рисунок 1 - Функциональная схема установки
На данной функциональной схеме обозначено: 1 - норми-рующий преобразователь, 2модуль быстродействующего параллельного АЦП, 3-модуль памяти статического типа с
временем преобразования 15нс, 4-блок синхронизации и связи установки с компьютером, 5шина ISA компьютера совместимого с IBM PC.
Установка в базовой реализации имеет два идентичных независимых канала, число
которых может наращиваться в зависимости от требований конкретной задачи. Сигнал с
первичного преобразователя поступает на нормирующий усилитель (1) , после чего передается
на вход быстродействующего параллельного АЦП (аналого-цифровой преобразователь), в
качестве которого применена микросхема К1107ПВ2. АЦП имеет в своем составе 256
быстродействующих компараторов, что позволяет проводить 8-ми разрядное аналого-цифровое
преобразование с максимальной частотой оцифровки равной 30МГц. Управление работой
системы осуществляется с ЭВМ посредством самого распространенного интерфейса - шины ISA
(5) . Поскольку максимальная пропускная способность данного интерфейса не превышает
1Мбайт/сек, а длительность процесса может составлять доли микросекунды в общую схему
устройства введен блок быстродействующей буферной памяти (3). На каждый канал выделено
32К памяти. Блок синхронизации (4) по команде с компьютера управляет процессом оцифровки
в буферную память, а затем передачей данных в ЭВМ для последующей обработки. Система
имеет возможность программной настройки частоты оцифровки. Процесс преобразования
может начинаться как по команде с компьютера, так и при достижении определенного значения
измеряемого параметра по одному из каналов.
Программная часть имеет следующую структуру:
1) регистрация процесса теплопереноса;
2) обработка процесса, включающая фильтрацию, выборку, печать на бумажном
носителе.
Регистрация проводится записью данных, получаемых с АЦП в оперативную память
компьютера и вывод графика изменения температуры на экран монитора. На следующим этапе
имеется возможность провести более детальную обработку измерительного процесса. В
настоящей системе реализована фильтрация усреднением по 5 точкам. Таким образом
устраняются случайные ошибки, вносимые в измерительную систему первичным (датчик) и
вторичным (АЦП) преобразователями.
Имеется возможность вывода данных измерительного процесса на принтер, не выходя
из данной системы. Также предусмотрены режимы сохранения и восстановления результатов
проведенных экспериментов.
Для регистрации процесса теплопереноса разработана компьютерная модель
динамической характеристики датчика температуры. Моделирование осуществлялось на базе
дифференциального уравнения второго порядка нестационарной теплопроводности, в системе с
дифференциальным уравнением, описывающим равенство плотностей потоков тепла в
материале преобразователя и среде теплоносителя вблизи границы раздела фаз (граничное
условие).
Дифференциальное уравнение теплопроводности для твердого тела сферической
формы:
  2T

 Tд
д  2   Tд ,
 aд 
  r2 r  r 



Rr 0,
где Тд = Тд (r,) - температура дисперсной фазы;
r - текущий радиус частицы, м;
ад - коэффициент температуропроводности дисперсной фазы, м 2/с;
 - время, с.
Дифференциальное уравнение теплового баланса
d Tд C д  дVд   сVc dTс ,
где д,с – соответственно плотности дисперсной и сплошной фаз;
Vд, Vc - объем дисперсной и сплошной фаз.
При описании процесса теплопереноса возможно определение и регулярная
корректировка коэффициентов температуропроводности и теплоотдачи путем решения
обратных задач переноса на базе контрольных значений промежуточных параметров качества и
режима.
В результате проведенных исследований установлена адекватность расчетных и
экспериментальных данных.
ЛИТЕРАТУРА
Б.Н. Юдаев. Теплопередача.- М.: Высшая школа, 1981. –319 с.