Электрическое моделирование нестационарных процессов теплообмена.

В книге рассмотрены теоретические и практические вопросы расчета и моделирования нестационарных процессов теплообмена. Дано последовательное изложение численных, аналитических, табличных методов расчета и математического моделирования в применении к нестационарным процессам в условиях высоких тепловых нагрузок при несимметричном тепловом воздействии. Изложена методика построения специализированных электрических моделей. Предисловие Бурное развитие энергетики привело к созданию различных по назначению и устройству тепловых машин — от топочных устройств и паровых машин до газовых турбин, авиационных и реактивных двигателей и систем. Работа тепловых машин определяется теплои массообменными процессами, исследование которых является одним из важнейших разделов современной науки. Тесная связь процессов тепло- и массообмена является важной особенностью современных энергетических установок, работа которых, как правило, происходит в нестационарных условиях. Нестационарность процессов характерна не только для периодов пуска, остановки, но также и для основных режимов работы тепловых машин. При решении конкретных теплотехнических задач, связанных с развитием современных тепловых машин типа авиационных и реактивных двигателей, требуется учитывать многие особенности функционирования систем, которые приводят к разработке новых схем и дальнейшему развитию методов расчета. К таким особенностям относятся высокая напряженность элементов конструкции тепловых машин, резко выраженная нестационарность тепловых процессов, несимметричность теплового воздействия при высоких интенсивностях теплообмена и удельных тепловых потоках, сложность форм теплоотдающих и тепловоспринимающих элементов конструкций, повышенные требования к полноте и точности теплотехнических расчетов. Основное направление книги заключается в разработке методов электрического моделирования и расчета нестационарных тепловых процессов и в доведении этих методов до решения ряда конкретных задач инженерной практики. Такое направление позволяет наглядно показать эффективность сочетания расчетных методов и методов электромоделирования. В инженерной практике распространено два подхода к решению теплотехнических задач. Первый заключается в том, что на основе известного функционирования машины или системы составляются физическая модель и «точная» система уравнений (при минимальном числе упрощений), которая затем решается приближенными методами. Второй заключается в том, что составляются упрощенная физическая модель процесса и соответствующая этой модели система уравнений, которая приближенно описывает реальный физический процесс; приближенная система уравнений затем решается точными методами. Безусловно, оба подхода к решению задач правомочны, и их выбор зависит от конкретности задачи, полноты и точности информации и т. д. В последнее время в связи с повышенными требованиями к теплотехническим расчетам и применением ЭЦВМ чаще приходится избирать первый путь, т. е. решать точную систему уравнений приближенными методами. В книге существенное место (первая часть) уделяется численным методам решения уравнения теплопроводности, в том числе и нелинейного, при переменных граничных условиях. Одновременно с методом численного интегрирования излагается решение некоторых несимметричных тепловых задач аналитическим методом. Наибольшей лростотой при достаточно хорошей точности отличаются табличные методы, которые позволяют конструктору уже на этапе проектирования определить тепловой режим машины. Поэтому первая часть книги, посвященная методам расчета нестационарных тепловых процессов, заканчивается изложением основ табличного метода расчета. Особенностью таблиц является асимметричность теплового воздействия. Известно, что задачи теплопереноса относятся к классу краевых задач, решение которых практически может быть осуществлено на моделях различной физической природы. Несмотря на большое разнообразие моделирующих устройств, следует отдать предпочтение электрическим моделям. Построенные на основе математической аналогии специализированные электрические модели обладают не только возможностью решения уравнений с частными производными (типа уравнений Фурье, Лапласа, Пуассона), но и высоким быстродействием и точностью решения. До настоящего времени многие теоретические и практические вопросы проектирования, производства и эксплуатации электрических моделей с сосредоточенными параметрами освещены в отечественной и зарубежной литературе недостаточно. Литература же по проектированию, производству и эксплуатации специализированных электрических моделей, построенных на основе сопротивлений, емкостей и ин-дуктивностей и предназначенных для решения нестационарных задач теплообмена, практически отсутствует. Вторая часть книги посвящена теоретическому обоснованию электрического моделирования нестационарных тепловых процессов, а третья — практическому использованию электрических моделей. Основное содержание второй части составляет разработанная автором методика проектирования и построения электрических моделей для моделирования нестационарных тепловых процессов. Излагается методика электромоделирования нестационарного теплопереноса на моделях из сопротивлений по явной и неявной схемам и на аналоговых вычислительных машинах. Методологической особенностью проектирования электрических моделей является строгое математическое обоснование, построенное на теории обобщенных переменных. Такой подход позволяет создать единую базу для проектирования моделей различной физической природы при решении задач теплофизики. В третьей части книги приводится описание разработанных и изготовленных блоков моделей, их схем, электромоделирующих установок, которые просты по устройству, надежны в эксплуатации, легко изготавливаются в любой лаборатории и не требуют большой затраты материальных средств. Одновременно приводятся решения некоторых инженерных задач нестационарного теп­лопереноса на электрических моделях. Автор выражает глубокую признательность академику АН БССР А. В. Лыкову за полезные советы и замечания при обсуждении научной направленности и содержания книги. Автор благодарит проф. В. П. Исаченко за полезное обсуждение основных вопросов книги, рецензентов — доц. В. А. Осипову и проф. А. С. Сукомела за ряд ценных советов и замечаний, способствовавших улучшению формы и содержания книги, а также редактора канд. техн. наук В. И. Кушнырева за большую работу по подготовке рукописи к изданию. Автор признателен коллективу кафедры, который постоянной поддержкой и помощью способствовал завершению предлагаемой читателю книги.