Моделирование нестационарных процессов теплопроводности в образцах шаровой формы при измерении температуропроводности металлов и сплавов импульсным методом

• Автор: Бузилов, Сергей Викторович
• Шифр специальности: 05.13.18, 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 130 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ.

1.1. Метод температурных волн.

1.2. Импульсный метод.

1.3. Метод монотонного на1рева

1.4. Измерение теплофизических свойств в жидком состоянии.

1.5. Выводы.

ГЛАВА 2. ИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБРАЗЦОВ ШАРОВОЙ ФОРМЫ.

2.1. Решение нестационарного уравнения теплопроводности для шара под действием точечного источника с учетом теплообмена на поверхности

2.1.1. Математическая постановка задачи и метод решения.

2.1.2. Определение теплофизических свойств
2.2. Учет длительности теплового импульса
2.3. Учет пространственного распределения излучения.
2.4. рименение численного метода для решения нестационарной трехмерной задачи теплопроводности образцов ограниченных эллиптической поверхностью.
2.4.1. Конечноразностные методы решения задач теплопроводности
2.4.2. Математическая постановка нестационарной тепловой задачи для эллипсоида.
2.5. Выводы.
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТФС И УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
3.1. Экспериментальная установка для определения ТФС металлов и сплавов в твердом и жидком состояниях.
3.2. Методика определения пространственновременной характеристики лазерного излучения
3.3 Анализ погрешности эксперимента
3.4. Измерение удельного электросопротивления.
3.5. Тестовые измерения.
3.5.1. Никель.
3.5.2. Олово.
3.6. Выводы
ГЛАВА 4. ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
4.1. Объект исследования.
4.1.1. Сплавы никельгерманий
4.1.2. Сплавы никелькремний.
4.2. Приготовление образцов.
4.3. Температуропроводность твердых растворов кремния и германия в никеле.
4.3.1. Температуропроводность в окрестности температуры Кюри
4.3.2. Температуропроводность в окрестности температуры плавления.
4.4. Удельное электросопротивление твердых растворов кремния и германия в никеле.
4.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


Результаты работы отражены в печатных работах (из них 5 - в центральных журналах, 9 - в сборниках научных работ и тезисах докладов на конференциях). Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 0 страницах машинописного текста. В работу' включены рисунков, 4 таблиц, список литературы из 3 наименований и приложения, в которых представлено 4 таблицы. Работа выполнена на кафедре Физики Ижевского государственного технического университета. Глава 1. В основе методов измерения теплофизических свойств лежит решение уравнения теплопроводности. В ряде случаев для многих задач уже приводятся решения уравнения теплопроводности [1-3]. К теплофизическим свойствам принято относить класс характеристик, таких как температуропроводность, теплопроводность, теплоемкость. Температуропроводность - физическая количественная характеристика, которая определяет скорость перемещения температурного фронта или температурной волны в образце. Прямое измерение значения температуропроводности возможно только с использованием нестационарных методов. Все методы допускают, что для оценки коэффициента температуропроводности, образец нагревается нестационарно (импульсные методы [4, 5], периодические методы [6, 7] и монотонные методы [8]). Бесконтактный способ воздействия, используя лазер, улучшило методы. Особую роль играет и регистрация наведенной температуры, особенно после появления бесконтактных датчиков температуры, вместо стандартных тепловых датчиков (термопара). Фактически такие датчики могут обнаружить очень точно маленькие перепады температуры (<*6 К), используя инфракрасное излучение испущенного образцом (радиометрия), или наведенных акустических волн (фотоакустический) [9, ], или эффект миража (фо-тотепловое отклонение) [, ]. Последний эффект связан со следующим явлением: световой луч лазера направляют вдоль нагретого образца, что вызывает перепады температур в воздушном слое. Образец деформируется в направлении более холодного воздушного слоя, вызывая известные оптические обманы (мираж). Рассмотрим более подробно наиболее часто применяемые методы измерения. Метода температурных волн заключается в следующем. На поверхность образца подается модулированный по гармоническому закону тепловой поток Q. В некоторой точке образца регистрируется температурный сигнал во времени, изменяющийся по волновом}' закону. Значения температуропроводности и теплоемкости определяется по величине запаздывания фазы температурного сигнала, относительно начальной фазы подводимого потока, и по величине амплитуды регистрируемого сигнала. Воздействие происходит на всю поверхность, или на центральную точку, или на локальную область образца, а сам образец может иметь форму ограниченной и неофаниченной пластины или цилиндра. Так в работах Ивлие-ва и др. Кравчун и др. В работах Takahashi и Hatta используется одна из разновидностей периодического нафева, метод а. Тепловой поток подается локально в виде пятна на поверхность образца, при этом метод без учета теплообмена рассматривается в [], а с ним в []. Влияние двойного нафева, с обеих сторон образца, изложен []. Для наглядности влияния искажения температурных полей в образце был показан изотермический профиль по сечению в [-]. Необходимо отмстить работы, в которых приведен метод измерения температуропроводности анизотропных материалов [], а также учет размеров образца и закона падающего тепловою потока [], с учетом конечных размеров области регистрации теплового сигнала []. Однако данный метод имеет ограничение, это связано с тем, что температурная волна в образце практически полностью затухает при ее распространении на расстоянии 2-3Я. Гтах = 3. Кроме этого, имеется недостаток применения данного метода в широком температурном диапазоне. В частности, он описан при использовании пластин или пленок в качестве исследуемого образца, и при переходе из твердого в жидкое состояния образец меняет свою форму, что делает не применимым данные методы. А - амплитуда, со - частота, ? T(r,t) = ^ exp(-fe-) cos (kr -cot-?