Компьютерное моделирование температурного поля помещения Текст научной статьи по специальности «Физика»

Выводы

Таким образом, микронизация зерна, как способ подготовки его к скармливанию, может быть использована в процессе послеуборочной обработки ввиду положительных результатов по зоотехнической оценке, малой экспозиции и возможности обработки зерна повышенной влажности.

Установлено,что при подводе теплоты к обрабатываемому материалу снизу от греющей поверхности желоба и сверху - от источника инфракрасного излучения - температура внутри зерновки составляет 1800С и давление 10 атм. При такой температуре достигается наилучший эффект дезинсекции, полученный кормовой материал становится благоприятным для пищеварения, снижается его механическая прочность.

Литература

1. Доронин, А.Ф. Исследование процесса термической обработки кукурузных хлопьев ИК-лучами: автореф. дис. ... канд. техн. наук / А.Ф. Доронин. - М., 1979. - С. 23.

2. Дрыга, К. Экструдирование - эффективный способ обработки растительных кормов для свиней / К. Дрыга, А. Зверев, С. Филатова // НТБ НИИЖ лесостепи и полесья УССР. - Харьков, 1979. - Вып. 26.

- С. 41-45.

3. Зверев, А.И. Экструдирование и плющение фуражного зерна в проблеме повышения его продуктивного действия / А.И. Зверев, Н.Я. Чумаков // Корма и отходы АПК. Техника и технология: тез. докл. Всесоюз. НТ совещания. - Запорожье, 1988. - С. 40.

4. Зоткин, В. Изменение показаний качества гороха при экструдировании / В. Зоткин // Тр. ВНИИ комбикорм. пром-сти. - 1981. - Вып. 19. - С. 16-19.

5. Калниньш, И.Я. Обработка фуражного зерна инфракрасным облучением / И.Я. Калниньш, Я.А. Панков // Кормопроизводство. - 1988. - №10. - С. 16-18.

6. Микронизированный ячмень в комбикормах для поросят / В.А. Крохина, А.Т. Мысик, П.А. Михайлов [и др.] // Зоотехния. - 1998. - №7. - С. 22-25.

7. Лисицина, Н.В. Изучение конвективного способа тепловой обработки зерна / Н.В. Лисицина // Тр. ВНИИКН.

- М., 1977. - Вып. 12. - С. 29-34.

8. Орлов, А. Тепловая обработка зерна при производстве комбикормов / А. Орлов, Н. Лисицина, В. Афанасьев // Мукомольно-элеваторная и комбикормовая пром-сть. - 1976. - №12. - С. 29-30.

9. Брагинец, Н.В. Микронизация зерна для кормовых целей / Н.В. Брагинец // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - М.: Агропромиздат, 1989. - С. 29-31.

10. Денисова, Р.Р. Обработка фуражного зерна инфракрасным излучением / Р.Р. Денисова, В.П. Елизаров // Докл. ВАСХНИЛ. - М., 1981. - С. 18-20.

11. Миколайчик, И.И. Использование микронизированной зерносмеси при выращивании поросят-сосунов: автореф. дис. ... канд. техн. наук / И.И. Миколайчик. - Новосибирск, 2000. - С. 7.

---------♦'----------

УДК 624.042.5:681.142 Н.В. Цугленок, Я.А. Кунгс, А.Г. Лапицкий,

Д.Ю. Завадский

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ПОМЕЩЕНИЯ

В статье описаны аналоговые и математические модели для ЭВМ, которые дают возможность прогнозировать развитие зон турбулентности в заданном температурном диапазоне. Методика объясняет устойчивость распределения температурного поля в технологическом помещении.

Для аналитического описания распределения температуры в технологическом помещении воспользуемся физической моделью тепловой трубы, в которой установлено теплопередающее устройство «Теп-лофон» ЭРГНА, способный передавать большие тепловые мощности в ограниченных геометрических раз-

мерах помещения. Рассматриваемый аналог тепловой трубы представляет собой почти герметизированный объем, заполненный теплоносителем - нагреваемым воздухом (рис. 1).

Ч q

пн +т

ЦІ! Зона переноса Зона нагрева Зона охлаждения

Рис. 1. q - тепловой поток

В нагреваемой части (в зоне нагрева) воздуха происходит теплообмен с пограничным слоем помещения. Перемещение слоев воздуха происходит за счет разности давлений нагретого воздуха, определяемой разностью температур (кинетической энергии) в различных зонах.

Возвращение потока воздуха осуществляется за счет теплоотдачи и принудительной вентиляции. Пара теплофонов нагревают воздух независимо друг от друга

В результате постоянного нагрева и охлаждения воздуха в помещении возникают периодические изменения распределения температуры в воздушной среде - температурные волны, связанные с периодическими колебаниями плотности тепловых потоков, порождаемые действием теплофонов. Скорость их распространения зависит от частоты волны.

Температурные волны испытывают сильное затухание при распространении. Известно, что коэффициент затухания температурной волны приближенно равен

ґ _ 2п

* _Х’

(1)

где X - длина температурной волны. Пространственная температурная волна характеризуется тремя коэффициентами затухания - по направлениям трех координатных осей:

2п 2кулу

X ‘

2к глх

2п 2к?п

Ту

2п

X

(2)

где

Хх, Ху и X, - частные коэффициенты затухания вдоль осей Ох, Оу и Ог;

Тх, Ту и Т, - периоды колебаний волны по направлениям Ох, Оу и Ог. Следовательно, частные коэффициенты затухания выражаются посредством формул:

Т Т

хх _ , ху _

кхХ куУ

(3)

При установленном комплексе условий на техническое задание и точность практических результатов можно считать, что рассматриваемые тепловые волны являются монохроматическими, связанными с периодом колебаний т коэффициентом температуропроводности х соотношением:

X _ 2у[яхт. Скорость V перемещения гребней волны равна

V _

4-Х _ 4пх

X т

(4)

(5)

Уменьшение периода колебаний (длины волны) приводит к увеличению скорости распространения температурной волны, то есть они быстрее распространяются и затухают на меньших расстояниях от теп-лофонов.

За глубину проникновения тепловой волны в воздушную среду принимают расстояние, на котором колебания температуры пропорционально неперову числу:

е _Х= Х- , е _ 2,71828182... 2п V п

(6)

Чем меньше период, тем меньше глубина проникновения волны. Метод тепловых волн используется для определения температуропроводности и теплоемкости обшивочных утепляющих материалов.

Физическая модель «Тепловая труба+тепловая волна» с периодическими изменениями распределения температуры внутри комнаты и частотами по направлениям координатных осей Ох, Оу, Ог выражается

математической моделью температурного поля я(х, у, г), представляемой аппаратом кратных рядов Фурье:

С +

, (2кхпх

X\ АхкхС0\^тхГ

+ Бх,„ єіп

2кхпх

пу (

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

(

X Ауу С08

Vку Л

2купу

Ту

( 2кгпг

\

V Тг

+ Буку 8іп

+ Бг, 8іп

Тх (2купу

V

+

Ту

+

2кгпг

Тг

пг ( пу ( пх

X X X

V кг_1 V ку_1 V кх_1

( пг ( пу ( пх

X X X ь

V кг_1 V ку_1 V кх_1

( пг ( пу ( пх

XXX

V кг_1 V ку_1 V кх_1

( пг ( пу ( пх

XXX <1

V кг_1 V ку_1 V кх_1

( пг ( пу ( пх

'кх ,ку ,кг

кх ,ку ,кг

кх,ку ,кг

(2кхпхЛ ( 2купу

С08\ ------ IС08

Ту

+

Л ( 2кгпг ЛЇ1І

С08\ ------

V Тг

+

(2кхпхЛ ( 2купу

С08\ ------ IС08

Ту

Л . (2кгпг

8ІП

Тг

+

С08\ -

( 2кхпхЛ . (2купу Л (2кгпгЛ|У

8ІП ------ —— С08\ -

V ту У V Тг

+

кх ,ку ,кг

(2кхпхЛ . ( 2купу

С08\ ------- 18ІП — —

V Тх / V Ту

Л . (2кгпг

8ІП

Тг

X X X ех.кукг I ^

V кг_1 V ку_1 V кх_1

( пг ( пу ( пх

2кхпх Л

( 2купу Л ( 2кгпг

Ту

V- V- V- /• • ( 2кхпхЛ (2купу

X X X у,кг / С0\~^у~

V кг_1 V ку_1 V кх_1

( пг ( пу ( пх

С08\ -

V Тг

Л . (2кгпг

8ІП

Тг

+

+

+

X X X ёхкум 8Іп

. ( 2кхпхЛ . (2купу Л (2кгпгЛЛЛ

ІП\ ------ 18ІП С08\ ------------- I

Тх

V кг_1 V ку_1 V кх_1

((, • ( 2кхпх Л . (

X X X К кум Н 8ІП

V кг_1 ку_1 V кх_1 V Тх

Ту

2купу

^тГ,

8ІП

V Тг

2кгпг

+

у//

Тг

'/У

(7)

где Я(х,у,г) - температура в точке с координатами (х,у,г);

Тх, Ту и Тг - периоды колебаний волны по направлениям Ох, Оу и Ог ■

Для исследования распределения температуры в различных сечениях помещения, а также в целом по помещению, по результатам натурных измерений по вышеприведенной методике составлена программа

кг_1

V.

V

V

/

расчета распределения температуры в помещении, алгоритмом расчета которой является тройной ряд Фурье (7).

X г=0„ х=0...6000, у=0...3200

Рис. 2. Построение линий уровня: линии уровня в зависимости от координат х и у в прямоугольнике

3000 2500 2000 + 1500' 1000: 500

/ / / / / Г Т

І I

I I I і V

\

?||| I

1[(00 ' *20ш

М і И і Н і і і

І І

І І І І І і

і 4 і і

І

І

t

ґ

\

\

г

ЧЕй1

І 1 < 1 І 1 І І

Зона

турбулентности

■Г І

4000

і і 1 1 1 1 1 1

і і 1 1 1 1 1 ї

6000

X

Рис. 3. Построение поля градиентов в плоской области: поле градиентов в зависимости от координат х и у

В результате эксперимента обнаружены зоны турбулентности температурного поля, порождаемого двумя теплофонами. В зоне турбулентности элементы воздушной массы совершают нерегулярные колебания по сложным траекториям движения, что приводит к интенсивному перемешиванию между различными слоями воздуха, обтекающего теплофоны с разными скоростями. Турбулентное течение качественно отличается от установившихся ламинарных потоков (рис. 3).

Из рис. 3-4 видно, что осредненные скорости, представленные полем градиентов по различным сечениям пространственного потока тепла, отличаются от параболического профиля соответствующего ламинарного течения более быстрым возрастанием скорости у границ помещения. Анализ диаграмм показывает, что изменения температуры в плоскости 1, X по длине комнаты составляет около 0,25°С. Распределение температуры в различных сечениях помещения составляет не более 0,5°С. Это объясняется зависимостью Рейнольдса:

1 = , у[1 = —^1пШке)+ В, (8)

^..2 'У. Я

где тт - напряжение трения;

р - плотность;

уср - средняя скорость течения; X и В - числовые постоянные; Ке - число Рейнольдса.

\/тах— к\/п|

тах

Рис. 4. Профиль осредненной скорости: а - при ламинарном течении; б - при турбулентном течении

В диаграммах линии уровней видно, что наиболее нагретая область воздуха в помещении находится в середине комнаты. Струи перемешивания обладают свойством автомодельности, так как в каждом сечении любого из этих турбулентных течений на достаточно больших расстояниях от начала сечения можно ввести такие масштабы длины и скорости Цх) и '^(х), что безразмерные статистические характеристики полей (в частности, профили осредненной скорости), полученные при применении этих масштабов, будут одинаковыми во всех сечениях.

Рис. 5. Поле градиентов в зависимости от координат х, у, z

На рис. 5 показано поле градиентов температур в обследуемом помещении. Стрелками указаны направления изменения поля температур от более нагретых слоев воздуха к холодным слоям.

Разработанные аналоговые физические и математические модели для ЭВМ дают возможность прогнозировать развитие зон турбулентности в заданном температурном диапазоне. Методика объясняет устойчивость распределения температурного поля в технологическом помещении.

Литература

1. Колмогоров, А.Н. Элементы теории функций и функционального анализа / А.Н. Колмогоров, С.В. Фомин. - М.: Наука, 1989. - 516 с.

2. Шлихтинг, Г. Возникновение турбулентности: пер. с нем. / Г. Шлихтинг. - М.: Наука, 1962. - 328 с.