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