Моделирование процессов теплопроводности с учетом пространственно-временного распределения энергии лазерного излучения

• Автор: Перевозчиков, Сергей Михайлович
• Шифр специальности: 05.13.18, 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 164 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ТФС МАТЕРИАЛОВ.

1.1. Общие положения

1.2. Метод температурных волн.

1.3. Импульсные методы.

1.3.1. Погрешности, вызванные неоднородностями в пространственном распределении теплового импульса

1.3.2. Погрешности, вызванные конечностью длительности теплового импульса.

1.3.3. Другие источники погрешностей

1.4. Выводы.

2. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ДЛЯ ТЕЛ В ВИДЕ ПЛАСТИНЫ С УЧЕТОМ ПРОСТРАНСТВЕННОВРЕМЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ТЕПЛОВОГО ИМПУЛЬСА
2.1. Решение задачи теплопроводности для бесконечной пластины с
учетом пространственного распределения энергии по сечению луча ОКГ
2.1.1. Постановка задачи
2.1.2. Решение задачи.
2.2. Решение задачи теплопроводности для цилиндра с учетом
пространственного распределения энергии по
сечению луча ОКГ..
2.2.1. Постановка задачи
2.2.2. Решение задачи.
2.3. Решение задачи по определению сигнала фотодатчика при
проецировании на него теплового излучения образца
2.4. Учет конечности длительности воздействия теплового
импульса
2.5. Определение ТФС материалов
2.6. Некоторые допущения, возможные при практических расчетах
2.7. Выводы
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА ИЗМЕРЕНИЯ ТФС
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ИМПУЛЬСНЫМ МЕТОДОМ.
3.1. Общая структура экспериментальной установки.
3.1.1. Общая структура и работ блока
предварительных усилителей.
3.1.2. Выбор параметров элементов схем блока предварительных усилителей и описание работы
и методик расчета основных узлов.
3.1.3. Описание высокотемпературной вакуумной печи
и измерительной ячейки.
3.2. Описание алгоритмов и программ экспериментальной
установки
3.3. Экспериментальное определение пространственноэнергетических характеристик лазерного луча.
3.4. Оценка погрешностей измерения ТФС
3.4.1. Параметры образцов и экспериментальной установки
3.4.2. Мегодические погрешности измерения ТФС
3.4.3. Инструментальные погрешности
3.4.4. Случайные погрешности.
3.4.5. Суммирование погрешностей.
3.5. Общая методика проведения эксперимента.
3.5.1. Методика нриготовленияобразцов.
3.5.2. Методика проведения экспериментов
3.6. Тестовые измерения ТФС.
3.7. Выводы.
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТФС ТВЕРДЫХ
РАСТВОРОВ КРЕМНИЯ И ГЕРМАНИЯ В КОБАЛЬТЕ.
4.1. Температурные зависимости температуропроводности и теплоемкости систем i, .
4.2. Выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


При решении уравнения теплопроводности (1. Существующие методы измерения ТФС по виду зависимости теплового потока на образец во времени делятся на стационарные, квазистационарные и нестационарные. В стационарных методах в образце либо создается постоянный тепловой поток (при измерении коэффициента теплопроводности), либо в него вводится определенное количество энергии (при определении удельной теплоемкости) [2|. При этом температурные измерения образца проводятся в обеих случаях после наступления стационарного режима. Стационарные методы широко используются в исследованиях благодаря высокой точности и низкой стоимости измерительных систем. Их недостатками являются: большая длительность эксперимента, отсутствие возможности определения нескольких характеристик за один эксперимент. Кроме того при высокотемпературных исследованиях точность метода резко снижается (в основном из-за усиления паразитных тепловых потоков), а сложность установок резко возрастает. Несмотря на это стационарные методы широко используются для измерений ТФС при малых и средних температурах, а некоторые варианты этих методов иногда применяются и при высокотемпературных исследованиях [5]. Квазистационарные методы представлены в основном методами периодического нагрева. В основе этих методов лежит установление в образце такого периодического теплового потока, когда температура в любой точке образца может быть представлена в виде суммы постоянной составляющей Г0, зависящей только от координат, и периодической составляющей АТ [в]: т = 7’0(дг,у,г) + Д7’(дг,у,г,0. Измерительные системы, использующие этот метод, довольно широко распространены [7 - ] благодаря высоким точностным характеристикам в широком диапазоне температур. Нестационарные методы представлены в основном импульсными методами, в основе которых лежит определение ТФС по характеристикам температурного отклика образца на импульсное тепловое воздействие. Измерительные системы на базе данного метода получили чрезвычайно широкое распространение благодаря своей простоте и хорошим точностным характеристикам [ - ]. Существуют также и другие разновидности нестационарных методов, например метод монотонного нагрева [ - ]. Метод основан на нагреве образца с одновременным измерением теплового потока, скорости нагрева в районе подвода тепла, разности температур зоны нагрева и точки образца на некотором расстоянии от зоны нагрева. Ввиду существенных недостатков -низкой точности, малой разрешающей способности, сложности (необходимость измерения множества параметров, сложности изготовления нагревателя, сложной конструкции образца), большой длительности эксперимента - данный метод имеет ограниченное применение. Сравнение различных методов приводит к выводу о значительном преимуществе нестационарных (квазистационарных) методов перед стационарными (в особенности при высокотемпературных измерениях). Это с одной стороны позволяет увеличить производительность системы, а с другой сокращает влияние паразитных тепловых потоков на результат эксперимента, что приобретает особенно важное значение при высокотемпературных исследованиях. В дальнейшем в главе будут более подробно рассмотрены методы периодического нагрева (метод температурных волн) и импульсные. Сущность данной группы методов заключается в следующем: периодические колебания температуры, созданные в образце, в силу конечности скорости распространения температурного возмущения и его затухания, отличаются фазой и амплитудой в точках, расположенных вдоль направления теплового потока. Фазовые запаздывания характеризуют тепловую инерцию вещества и определяются коэффициентом температуропроводности, а затухание амплитуды - удельной теплоемкостью. В линейном приближении температура может быть представлена в виде суммы двух компонент: постоянной составляющей Г0, зависящей только от координат, и периодической составляющей АТ (формула (1. В соответствии с этим уравнение теплопроводности (1. Т(х,1) ^йТ(х,1) ,. Т0 - постоянная, а АТ - переменная составляющие температуры. Я 0 + М ¦ соэ(сог), (1.