Ghostscript wrapper for D:\Digitalizacja\MTS82_t20z1_z4_PDF_artyku³y\mts82_t20z1_2.pdf
M E C H AN I KA
TEORETYCZNA
I STOSOWANA
1/ 2, 20 (1982)
METODA OZN ACZAN IA WSPÓŁCZYN N IKÓW CH ARAKTERYZU JĄ CYCH
PROCESY OPISAN E RÓWN AN IEM PARABOLICZN YM
H EN RYK K A. M I Ń S K I (POZN AŃ )
Instytut Mechaniki T echnicznej
Politechniki Poznań skiej
1. Wstę p
Wiele procesów wystę pują cych w technice i badaniach naukowych jest opisanych
równaniami róż niczkowymi drugiego rzę du typu parabolicznego:
div(Xgrad«)- ~ = 0, (1.1)
z warunkiem brzegowym:
n • grad« + a ( u —u 0 ) = 0. (1- 2)
W ogólnym przypadku współ czynnik K może być funkcją postaci
K = K(P,t), PeV,
a współ czynnik a moż e' mieć postać
a=a(A,t) AeV.
Tutaj F jest wnę trzem obszaru, w którym przebiega proces, B V jest brzegiem tego ob-
szaru, n — normalną zewnę trzną do brzegu, u
0
— wielkoś cią, do której odniesione są
wartoś ci funkcji w. W dalszej czę ś ci pracy współ czynniki K i a są przyję te jako stał e. Współ -
czynnik K opisuje przebieg procesu w obszarze ciał a, a współ czynnik a charakteryzuje
zjawiska zachodzą ce na powierzchni. Znajomość współ czynników wystę pują cych w opisie
matematycznym procesu niezbę dna jest do analizy przebiegu procesu. W pracy przedsta-
wiono jedną z moż liwych metod wyznaczenia powyż szych współ czynników. Zazwyczaj
stał e takie wyznacza się poprzez pomiar pewnych wielkoś ci na powierzchni próbki lub
w jej wnę trzu. M etoda przedstawiona w pracy bazuje na efektach globalnych dają cych się
zmierzyć w otoczeniu próbki, n p : ilość ciepł a wymienionego z otoczeniem w procesie wy-
miany ciepł a, lub zmiany wagi próbki w przypadku procesu dyfuzji.
Podstawowym narzę dziem analizy prowadzonej w pracy jest technika transformat
Laplace'a [3] i wynikają cy z niej rachunek splotowy. Transformatę Laplace'a funkcji
f(t) definiuje się nastę pują co:
f(s) = JS?[/ (O](s) - / mt- *
— zmodyfikowana funkcja Bessela I rodzaju, rzę du v. Zmianę
wielkoś ci globalnych moż na opisać zależ noś cią
r? = y f(uo- u)rsdV, (2.7)
V
gdzie ^ozn acza: w przypadku kuli jej powierzchnię cał kowitą , w przypadku walca czę ść
powierzchni bocznej, uzyskaną przez wycię cie z nieskoń czonego walca jego czę ś ci, ograni-
czonej dwoma pł aszczyznami prostopadł ymi do jego osi; V oznacza w tym przypadku
obję tość odcię tej czę ś ci. W przypadku warstwy o gruboś ci R, F oznacza pole powierzchni
tej podstawy graniastosł upa, na której jest okreś lony warunek (2.2); V oznacza obję tość
tego graniastosł upa. Współ czynnik r
g
jest okreś lony poprzez fizykę procesu (porównaj
czę ść 6 pracy). Zwią zek (2.7) moż na przekształ cić do postaci:
'<• o
(2.8)
Ponieważ rozwią zanie zagadnienia (2.1) do (2.4) jest podane w transformatach, za-
leż ność (2.8) należy również przedstawić w transformatach. Przy obliczaniu transformaty
prawej strony zwią zku (2.8) wykorzystuje się twierdzenie F ubiniego o zamianie kolejnoś ci
cał kowania [2]. Po tych przekształ ceniach otrzymuje się
) . (2.9)
Wstawiają c (2.6) do (2.9) ostatecznie 'otrzymamy:
T =
9
3. Wyznaczenie stał ych charakteryzują cych proces
Ponieważ do wyznaczenia są dwie stał e, wygodnie bę dzie wykorzystać dwa doś wiadcze-
nia; stał a K nie zmienia się w obu doś wiadczeniach, natomiast stał a a ma postać:
( - 1 , 2, (3.1>
re
(R
t
R
+
8). (6.13)
O
O stateczn ie zależ n ość n a strum ien ie (6.4) przyjmuje p o st ać :
= 0, (6.14)
dr ó
czyli dla rozważ an ego ciał a otrzym am y n a rozkł ad tem peratury zagadn ien ie
dr
2
r 8r K, 8t
(6.15)
= 0; u 1 | t = 0 = u 0 .
dr
r
Xi d
Szukanymi stał ymi są :
K, i a0 = 4
1 "'
zatem należ ał oby w celu ich wyznaczenia przeprowadzić dwa doś wiadczenia z róż nymi
gruboś ciami powł oki. M amy przy tym
Oi- 4-1 Oa- 4-- ( 6 - 1 6 )
M ierzo n ą wielkoś cią globalną był oby ciepł o przekazan e otoczeniu przez powierzchn ię
jed n o st ko wą :
R
'
l
-
2
\ u
o
~u)c
pQ
dr. (6.17)
o
Jak zat em widać, w tym wypadku
r
g
=c
pe
. (6.18)
Z n ają c G i ( 0 i Q
2
if) p rzy odpowiedn ich a
t
i a
2
moż emy wyznaczyć współ czynniki prze-
wodn ictwa ciepł a Ar i X2 ze wzorów (5.6) i (5.7) przedstawion ych w pracy.
7. Wnioski
P rzed st awio n a w pracy m etodyka ozn aczan ia współ czynników charakteryzują cych
wspo m n ian e we wstę pie procesy, pozwala efektywnie je znaleźć w przypadku, gdy są on e
stał e (n ie zależą od zm ien n ych n iezależ n ych ( r , i) oraz od procesu). Szczególnie p ro st o
daje się wyzn aczyć współ czynnik a
0
przy znanym K, lub iloczyn obu wielkoś ci ze wzoru
(5.7). I loczyn t en nie zależy w sposób bezpoś redni od przyję tych kształ tów próbek, a tylko
od m ierzon ych wielkoś ci globaln ych. Z aletą m etody jest moż liwość wyznaczenia współ -
czyn n ika K n iezależ n ie o d n iezn an ego a
0
(por. wzór (5.6)). Cechą zależ noś ci (5.5) d o (5.7)
jest wystę powan ie w n ic h czasu ja k o param et ru , od którego to współ czynniki a 0 i K po-
win n y być n iezależ n e. Wł asn ość t a pozwala, w przypadku wyników obliczeń wskazują cych
n a i c h zm ien n ość w czasie, okreś lić, n a ile postawion e zagadn ien ie (2.1) d o (2.4) odpowiada
M ETOD A OZNACZANIA WSPÓŁCZYN N IKÓW 69
rzeczywistemu procesowi. Wystę powanie w koń cowych wzorach (5.5) do (5.7) sum' nie
stanowi — wobec coraz bardziej dostę pnej techniki obliczeniowej (komputery, mini-
komputery, kalkulatory programowalne) — poważ nego utrudnienia. Czę ść sum jest
skoń czona, a ilość wyrazów zależy od opisu wyników eksperymentu, zaś sumy nieskoń-
czone wystę pują ce we wzorach są szybko zbież ne z uwagi na wystę powanie czł onów
wykł adniczych. Proponowana metoda wyznaczania współ czynników bę dzie również
funkcjonować jeś li w miejsce opisują cych proces wielkoś ci zostaną wzię te odpowiednie
strumienie, czy prę dkoś ci. Moż na również otrzymać podobne wyniki przy innym posta-
wieniu wyjś ciowego zagadnienia brzegowo — począ tkowego.
Literatura cytowana w tekś cie
1. Y. C. F U N G , Podstawy mechaniki ciał a stał ego, P WN Warszawa 1969, rozdział 12.
2. R. SIKORSKI, Funkcje rzeczywiste, PWN Warszawa 1958.
3. A. H . ZEMAN IAN , T eoria dystrybucji i analiza transformat, P WN Warszawa 1969.
4. H . Ja. BIEZN ISZCZEN KO, A. I . P RILEP KO, Obratnyje zadaczi dla urawnienljparaboliczeskogo tipa w: P ro-
blemy matiematiczeskoj fiziki i wyczislitielnoj matiematiki, Izdatielstwo N a u k a —M o sk wa 1977.
5. K. G RYSA, J. JAN KOWSKI, O sumowaniu pewnych szeregów Diniego i trygonometrycznych pojawiają cych
si; w zagadnieniach mechaniki oś rodków cią gł ych, M ech. Teoret. Stos. J6, 3, (1977).
6. B. STAN ISZEWSKI, W ymiana ciepł a, podstawy teoretyczne, P WN Warszawa 1963.
7. J. M IKU SIŃ SKI, Rachunek operatorów, PWN Warszawa 1963.
8. R. VARQA, Funkcjonalny} analiz i tieorija aproksymaci], Izdatielstwo M ir M oskwa 1974.
9. J. Osiowski, Zarys rachunku operatorowego, PWN Warszawa 1965.
10. N . T . M CLACH LAN , Funkcje Bessela dla inż ynierów, P WN Warszawa 1964.
11. T ablicy nutej funkcij Biessela, Bibliotieka Matiematiczeskich Tablic, wypusk 44, M oskwa 1967.
12. R. C. M EH TA, Solution of the Inverse Conduction Problem, AIAA Journ al, 15, (1977), 1355 - 1356.
13. R. C. M EH TA, Extension of the Solution of Inverse Conduction Problem, I n t . J, H eat M ass Transfer,
22, (1969).
14. J. TALER, Metoda eksperymentalnego okreś lenia współ czynnika wnikania ciepł a w warunkach nieustalo-
nych, Czas. techn., 1978, 43 - 46.
P e 3 IO M e
METOJJ, On P E flE JI E H M JI K O S O O H U E H T O B , KOTOP BIE XAP AK T E P BI 3YI OT ITP OU EC BI
H 3OEP A3KEH M E YP ABH E H H E M n AP AE O J I H ^ E C K O r O T H I I A
B CTaTbH aHajiH3Hpyexca npoSjiewubi BbraicneHHJi, Ha ocuose sKcnepHMeHTa, KO3(bcbKu.eHTŁi onpeflejienbi Ha
oCHOBe neKOTopbix o 6m n x 3cbc]>eKTax. ^- roSbi nojry^H Tb KOHijoBŁie coOTHomeHHH iicnojii> 3yeTcs H H Ter-
pajibH oe n peo6pa3OBan n e J la n n a c a H CBepTKOBtift "aHajiH3. K H 3o6paweH H p eayjibT aio s SKcnepH MeH Ta
B BHfle (JjyHKiiHH Hcnojib3yeTCH cn jiatiH bi. Pe3yjiBiaTbi npeACTaBjieH bi B CTaibH HMeioT oco6eH H O n pocTbift
BH A Koryja pe3yjibTaTM SKcnepHMeHTa H3o6paH