научная статья по теме СОПРЯЖЕННЫЕ ЗАДАЧИ КОНДУКТИВНО-КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛОПЕРЕНОСА В КУСОЧНО-ГЛАДКИХ ОБЛАСТЯХ III. РЕШЕНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ СОПРЯЖЕННЫХ ЗАДАЧ ТЕПЛОПЕРЕНОСА МЕТОДОМ РАЗЛОЖЕНИЯ ПО СОБСТВЕННЫМ ФУНКЦИЯМ РЕШЕНИЯ СТАЦИОНАРНОЙ ЗАДАЧИ Энергетика

Текст научной статьи на тему «СОПРЯЖЕННЫЕ ЗАДАЧИ КОНДУКТИВНО-КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛОПЕРЕНОСА В КУСОЧНО-ГЛАДКИХ ОБЛАСТЯХ III. РЕШЕНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ СОПРЯЖЕННЫХ ЗАДАЧ ТЕПЛОПЕРЕНОСА МЕТОДОМ РАЗЛОЖЕНИЯ ПО СОБСТВЕННЫМ ФУНКЦИЯМ РЕШЕНИЯ СТАЦИОНАРНОЙ ЗАДАЧИ»

№ 3

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2008

УДК 536.24:532.517.4

© 2008 г. ТРУСОВ В.П., ШАБАНОВ А.П.

СОПРЯЖЕННЫЕ ЗАДАЧИ КОНДУКТИВНО-КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛОПЕРЕНОСА В КУСОЧНО-ГЛАДКИХ ОБЛАСТЯХ

III. РЕШЕНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ СОПРЯЖЕННЫХ ЗАДАЧ ТЕПЛОПЕРЕНОСА МЕТОДОМ РАЗЛОЖЕНИЯ ПО СОБСТВЕННЫМ ФУНКЦИЯМ РЕШЕНИЯ СТАЦИОНАРНОЙ ЗАДАЧИ

Разработан эффективный метод решения внутренних сопряженных нестационарных задач конвективно-кондуктивной теплопередачи на основе использования сопряженных собственных функций, полученных из решения стационарной сопряженной задачи. Из решения в общем виде предельным переходом можно получить все решения задач конвективного и кондуктивного теплообмена.

Возможности этого метода решения показаны на примере расчета теплообмена при турбулентном течении жидкости в круглой трубе с малотеплопроводной и высокотеплопроводной стенками. Рассчитаны поля температур в стенке и в жидкости и построены локальные характеристики теплообмена.

Необходимость решения нестационарных задач в сопряженной постановке возникает в связи с задачами регулирования и управления теплообменными аппаратами при высокоинтенсивных процессах теплопередачи [1-7]. В этом случае даже при бесконечно большой теплопроводности твердого тела, температуру обтекаемой поверхности нельзя считать постоянной, она меняется во времени, и закон изменения температуры от времени не может быть найден без решения задачи в сопряженной постановке. Исключение уравнения теплопроводности для твердой стенки и замена его заданием условий на границе ограничивает область применения полученных результатов - они становятся пригодными для очень тонких стенок или для труб с очень большой теплопроводностью. Анализ результатов решения сопряженных задач позволяет выяснить физическую картину нестационарного конвективно-кондуктивного теплообмена с большим приближением к реальной картине протекания процесса.

Необходимо принимать во внимание следующее:

1. Коэффициент теплоотдачи зависит не только от гидродинамики потока, но и от свойств обтекаемого твердого тела.

2. Использование закона Ньютона при рассмотрении конвективного теплообмена является недостаточно строгим и обоснованным. Физическая нестрогость закона Ньютона выражается в том, что закон зависимости температуры обтекаемой поверхности от времени и от координат не может быть задан заранее.

3. Необходима более строгая постановка задач конвективного теплообмена, учитывающая и характеристики набегающего потока, и свойства обтекаемого тела.

В связи с вышеизложенным математическая формулировка нестационарной сопряженной задачи конвективно-кондуктивного теплообмена может быть представлена в следующем виде для системы состоящей из n областей:

я" М (* (к)

э©22°

= е(2°( я)

э©22,) э©22

дх

д я

Граничные условия

Э0(11) /ЭЯ + й1(0(11) - ©С:)) = 0; Я = а1;

Э0(1Я)/дЯ - й2(©С0 - ©С2)) = 0; Я = Ъп. Условия сопряжения

2 , „(2"')

1

э©111)

Э Я

1 э©22)

^2 2

Я = Ъ'

ЭЯ

©1

,0 )|

я = <

1я = ъ

©

(2)1

|Я = а

(2)

(3)

(4)

Э©1

("')

дЯ

= 1

я = ъ"

о

1 +1-

д©2"+1)

ЭЯ

©1;)|

я = а

\я = Ъ

- ©('' + 1)| (1) = ©2 1я = а(' + ";

(5)

1 -1

Э©

(" -1)

2

дЯ

я = ъ

Э©(п) ,(»-1) Э Я

©2"-1)

я = а

Я = Ъ

= ©( п)| (п-1) = ©1 Я-

Начальные условия X = 0; ©12''-1) = 0; ©22° = 0;

Бо = 0; ©12''-1) = 0; ©22° = 0.

Представим решение краевой задачи (1-7) в виде

г!21'-1)(Я, X, Бо) = г!2"-1)(Я, X) + у'?"-1)(Я, X, Бо);

г22°(Я, X, Бо) = г22°(Я, X) + у221)(Я, X, Бо),

(6)

(7)

(8) (9)

где Т 221) (Я, X); Т^1 1) (Я, X) - решение стационарной краевой задачи, полученное ранее [1], [2]; У12"-1) (Я, X, Бо); У22") (Я, X, Бо) - решение краевой задачи с однородными граничными условиями

Я-к ± (Як эуг^^ + э2 У12 ■• - 1 )

дЯ

дЯ

д X2

л у (2.-1)

СУ___1 г(2"-1).

/Ка ;

д X2

(10)

яК дЯ (*(Я) яК ^

= е(2 0( Я) !у- + дУ-/К а21)

ЭX ЭБо Граничные условия

ЭУ(11)/ЭЯ - А1(У(11)) = 0; Я = а(1);

Э У(1")/Э Я + Н2 (У(1")) = 0; Я = Ъ(п).

(11)

(12) (13)

Условия сопряжения

(1)

дя

я - Ь

(1) 2 дя

/(1)|

/(2)1

я - I

ТЛ -Ч - ТЛ' ,

У 1 \я - ь<1) - ^2 |я - а(2>;

д V1

(')

дя

- X

д V!

(' +1)

1 +1-

я - Ь

дя

п

(01

я - а>'

\я - Ь

/2 + 1)| 2я

Хя -1

д V(

.(я -1)

дя

д V!'

( я)

я - Ь"

дя

V

(я-1)1

я - а

1я - Ь

/«1 1 1я - а

Начальные условия X - 0; Vfi-1) - 0; V221) - 0;

(15)

Бо - 0; V(12i 1) - Т' 1)(я, X); v22i) - -Т22°(я, X).

(16)

Применим к краевой задаче (10)-(16) преобразование Лапласа по переменной Бо, тогда краевая задача в изображениях будет

л / дТ/(2''-1\ д^/2'-1) я-к д ! Rк-Vlл_ 1 . д ^л - ( „лР'-1) + Т(21-1)) ,„(21 -1).

я д-яяIя ""дГ"J + -"-1Хг---- (^ + Т1 ) а ;

(17)

як -я\я'

:(я)-яJ - е(2°(я)°-Х- + (+ т™)/„а20.

(2

д V

(18)

Граничные условия

д V(11л7дя - - 0; я - а(1);

дV(1ЛJI)/дя + й2V(1ЛJI) - 0; я - Ь(я). Условия сопряжения:

(19)

(20)

(1)

1----д---я------

я - Ь

дV (2)

(1) 2 дя

/(1)|

/(2)1

ТЛ ; - ТЛ' ,

У л |я - ь(" - к 2л |я - а<2>;

я - а

д V ( 0 Хд ^1 л

дя

я - Ь

дV (1' + 1)

- Х1 +'к 22 -л .('> 1 +' дя

я - а"

V(- V

" 1л | я - Ь® -

(' + 1)1

2л I я - а{'

(21)

Хя -1

д V(

(я -1)

д я

д V (я) - X д ^1 л

я - Ь'

д я

; V

(я-1)|

я - а1'

1я - Ь'

- V

(я)|

1л |я - а(л).

Начальные условия X - 0; V12;-1) - 0; V22л'') - 0.

Из решения стационарной задачи [1], [2] имеем

Т21'-1) = У12"-1)(Я) + wfi-1)(Я, X) = £ А;-1)( 1- в^);

1 = 1

(23)

Т22° = у22°(Я) + w220(Я, X) = £ А;ф(2°( 1- в-1*).

; = 1

(24)

Будем искать решение краевой задачи (17)-(22)

у(2л"-1)(Я, X, р) = -1)(|, Я)х(2"'-1)(X, р); уй0( Я, X, р) = ф(21)(|, Я )х(2°(X, р),

(25)

(26)

где Ф - собственные функции стационарной сопряженной задачи.

Подставляя (25), (26) в краевую задачу (17)-(22), получим уравнения (17)-(18) в виде

К Э 1 1)

Я^ЭЯ IЯК ^

д2 х(2.' -1) х(21 -1) + О х. ^(21 -1)_

1 д X }

(27)

- (р¥?1 -1 )Х(21 -1) - А V21 -1)( 1- в-^)) / К а21 -1) = 0;

п-к Э (Як ( Я)дд_ф2_)х(21) + п(21)дд_ХГ)ф(21)

Я дЯIя *(Я)"мГЛ + е "IX"Ф1 -

(28)

- (рфМ20 - А ФУ4(1 - в "О)/К

(21),

"IX ^ А21)

0.

Уравнение (27) умножим, соответственно, на Г)ЯкйЯ, а уравнение (28) на Ф(21)ЯкйЯ соответственно. Интегрируя по Я в пределах каждой подобласти (а(1), Ъ(1)), (а(2), Ъ(2)), ,..(а(п), Ъ(п) будем иметь для ¿-го члена

121 -1

Ъ21

1 к (яК^)

д2х( 21 -1) (21 -1) , д х._^(21 -1)_

хГ -' +

э X2

(29)

- (р-1)х121 -1) - А (21 -1)(1-в'1))/К-1)

21 -1) Як йЯ

= 0;

п

п

а

121'

Ът

.-к Э (пкЭФ(2°)_-(9г, эх

Я ------ Я

ЭЯ Г дЯ

х(121) + •

дх

(21)

1_е( 21)ф(21).

(30)

- (рф.21 )х121) - Аф121)( 1- в"ц1X)) / К а21)

Ф( 21) Як йЯ

1

а

Или складывая (29) и (30)

>,<2' -1)

Х2' -1

1 №

д ^кд¥(2' 1)^ш(2' -1)

дя

'йя

х<2'-1) +

+ Х2

(як / (я) 2°йя

i [я к--я(я7(я)

х<") +

+ Х 2 г - 1

7 (21 -1)

Ь 'Гд2х(2' -1)

ш(2 ' - 1 )-(рш(2' -1)х(2'-1) - А, ш(21'-1)( 1- в'1))) „-1)

д X

2 1

хШ2' 1 як йя

+ Х2

Ь<2'^-х( 2')

-х_2')ф(2о --X- * ф

- (рФ,2' )х!2,) - аф;2°( 1- е-1)) / „ а20

Ф( 20 як йя

Из решения сопряженной задачи Штурма-Лиувилля для стационарной задачи следует

я

к---д----д---я--

я

дш

(2' -1)-,

дя

2,т.(2"' -1) п (2' -1) п ,(2' -1)

+ м Ш - 0; а < я < Ь ;

(31)

п-к -

я -д---я--

як / дФ

(2')-,

дя

+ ц^2 i)Ф(2i) - 0; а(2°< я < Ь(2°; ' - 1, 2, 3 ...я.

(32)

Интегрируя по частям уравнения (29), (30) сопряженной задачи Штурма-Лиувилля, будем иметь

Х2' -1 | я

к---д----д---я--

я

кдш

(2' -1).

дя

а

>,(20

Х2' | я

дя

к -Ф

як / (я)

(2')-,

дя

ш(2"' -1)йях(2'-1) +

ш(2° йя х(20 +

а

Ь

1

а

а

Ь

кд

а

+ Х 2 1

дш

(2' -1)

дя

я - Ь

дш

(2' -1).

дя

йя

х(2' - 1) ■

(33)

+ Х2'

дФ

(2')

дя

я - Ь

я - а

i / (я) як

дФ

(2')-,

дя

йя

х м ^Л1 (2' -1)х(2' -1).Х м7(2')х(2') - Х2' -1ц х 1 + Х2'МZ,■ х 1 .

Из условий сопряжения для частных решений

ш(1)(Ь(1))х(1) - Ф(2)(а(2))х(2); ф(2)(ь(2))х(2) - ш(3)(а(3))х(3);

ф(я-1)(Ья-1))х(я-1) - ш(я)(а(я))х(я).

Отсюда можно получить м/1^ Ь(1))

х(2) _ У; (Ь -х(1) _ р(2)х( 1). х1 - ^ ( 2 ) - ( 2 ) - х1 - Г х1 ;

Ф) ча')

ф(2)(Ь(2)) ф(2)( Ь(2))

х(3) - ф (Ь -х(2) - (J|)j (Ь - Г2)х(1) - *(3)х(1), 1 ( 35 ) - ( 31 ) - 1 ( 33 ) - ( 31 ) - 1 1 ;

м) (а ) м) (а ) м(3)( Ь(3))

х(4) ¥я (ьЬ - с(2)р(3)х(1) Р(4)х(1). х : - -—--г-т^ Г Г х : - Г х : ;

1 Фя (а ) 1 1 (34)

ф(я-2)( Ь(я-2)) Ф( 2)( ,(2) ( 1)( Ь(1))х(1)

х(я -1) - Ф 1 ( Ь ) • • • Ф; ( Ь )( Ь ) х 1 - *(я -1)х(1),

х

(я)

Ф(я-1)( а(я 1 ))^¥(3)( а(3))Ф(2)( а( 2)) Ф(я-1)( Ь(я-1))„.Ф(2)( Ь( 2))у(1)( Ь( 1))х(1) Ф (я) ( а (я ) ) • . . 1 (а ( 3) ) Ф (2 ) ( а ( 2 ) )

*( я)х(1)

Вводя обозначения:

с(2' -1)

(2' -1)п 2 о к

я йя ;

2(2о - | е(2')[ф(20]2якйя; у<2'') - I [ф(2')]2якйя; ' - 1, 2, 3.

(35)

С учетом (33-35), сложив сопряженные операторы (29) и (30), имеем

2 (1 )

д2х

1 +!(1-1)г2"-1))[-чт x„X20220*

■Л2' -1)^(2' -1)

- X2

' -1

йх

(1)/ я

йX

Л2') 7(2'),-,(2')

V' - 1

- х^м

x 42°ъ1 0+ м2 а(1)х(о(2'-1)т^1"-1))

я

'-1

(2' -1)^2' -1)/„(2' -1)

(1)'

.(2' -1)^(2' -1),

'-1

x о-1) т

x 2(2')Г2')/„(2')

'-1

я

'-1

- А

\п

X о(2'-1)т(2'-1)/„(2'-1) + X ъ((2')Г2')/К2')

1Л' - 1 ' - 1 ^

-м X

(1-еМ ).

(36)

Ь

а

Ь

Ь

а

а

4 Энергетика, № 3

97

Выполнив тождественные преобразования, уравнение (36) можно переписать виде

,3.x2 У. ¿х

I 2 1 2^,(1) 2, X

- 1|| + -_■_-_ + рг;- X = А1 ( 1 - в 1 )

(37)

с условием х(1 = 0, X = 0 и х(1 < «> при X ^ < Здесь введены обозначения:

а

= £ 2(21) р< 21)/К121) /

11 1 = 1

0(.1) + £( о(21 -1) р<21 -1))

(21 -1^( 21-1К

1=2

(38)

пп

£ 0<.21 -1) 21 -1)/К(21 -1) + £ 2(21) р(И)К(21)/К21)

^^^ 1 а ^^^ 1 1 а

г2 = ^

1=1

0 1) + £( О2 -1) 21 -1))

,(21 -1)„( 21 -1),

1=2

С учетом (38), (39) решение краевой задачи (37) в изображениях будет

1;Ха ;

х(1)( X, р) = С ехр

А 1 -I/х

2 У,

ИП - XI; 1р + (42

г/ 2у

22 рг2 + I; + (| а1 ^)

(39)

(40)

Используя начальное условие при X = 0 и условие обобщенной ортогональности, можно определить значение неизвестных коэффициентов С в изображениях по Лапласу

С

_р рг2 +1 + (| ¡а 1 /у:)_

(41)

1 Г] • I }>

Осуществляя переход от изображений по Лапласу к оригиналам в (40), будем иметь

х(1)(Х, Бо) = А \ ваХ2К1"'1-(ц2+

2 Х

-а;Х/ 2К

егге

Хг 1 а 1 ТБо

2 К

+ в

ajXI2Klyj

егге

Хг ■ а: -УЁ

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком