В результате получили общее решение
. (5)
Для того чтобы уравнение (5) было решением поставленной задачи, его нужно подчинить начальным и граничным условиям.
При х = 0 , находим
Þ Þ с2 = 0
Следовательно, частное решение – должно быть отброшено как не удовлетворяющее граничным условиям.
Если учесть, что с2 = 0 и обозначить с1с3 = А, то уравнение (5) примет вид:
.
При х = d Þ ½ умножив и разделив на d, получим:
,
- число Био – безразмерный показатель (характеризует соотношения внутреннего и внешнего тепловых сопротивлений).
Если обозначить kd = m, то:
(1)
Рис. 13 К решению уравнения (1).
Из анализа этого уравнения следует, что при каждом значении Вi существует бесконечное множество решений. Наиболее просто это равнение решается графическим способом.
Обозначим через y1 = сtg m, .
Пересечение котангенсоиды у1 с прямой у2 дает бесконечное множество корней характеристического уравнения m1 < m2 < m3 <…<mn (рис. 13).
Каждому значению Bi отвечает своя совокупность корней уравнения (1). Первые четыре корня такого уравнения приводятся в таблице.
При Вi ® ¥ (внутреннее сопротивление велико по сравнению с внешним) у2 = 0 – совпадает с осью х и корни будут равны:
m1 = p/2; m2 = 3p/2; mn = (2n-1) p/2
При Вi ® 0 (внутреннее сопротивление мало по сравнению с внешним) прямая совпадает с осью ординат и тангенс угла наклона стремиться к ¥ ® корни равны:
m1 = 0; m2 = p,…, mn = (n-1) p.
Следовательно, каждому найденному значению корня m будет соответствовать свое частное распределение температур:
, здесь мы учли, что k =μ/δ.
Путем наложения бесконечного числа таких распределений температур можно получить истинное распределение:
. (а)
Постоянная Аn находится из начальных условий:
.
Это есть разложение четной функции в ряд Фурье. Есть специальные формулы для определения коэффициентов Аn..
Если в начальный момент времени t = 0 температура в любой точке пластины распределена равномерно (Т0 – Тж = θ0 = const), то:
.
Подставляя Аn в выражение (а), получим
. (б)
Уравнение температурного поля (б) целесообразно представить в безразмерной форме. Для этого разделим правую и левую части уравнения на θ0 (начальная разность температур). При этом обозначим: Dn = Аn / θ0. Получим:
, (в)
где Q = θ/θ0 – безразмерная температура; Х = х/d - безразмерная координата; Fo =aτ/δ2 – число Фурье, представляющее собой безразмерное время; Dn = Аn / θ0 – безразмерный коэффициент.
Получим, что температура каждой точки во времени изменяется по экспоненциальному закону. Распределение температуры по координате х (по толщине) – имеет вид косинусоиды с максимумом в центре пластины.
Дата добавления: 2021-09-07; просмотров: 383;