ВВЕДЕНИЕ 3
1 Теоретические основы теплопередачи 6
1.1 Конвекция. Конвективный теплоперенос 6
1.2 Теория FlowVision и SolidWorks 9
2 Математическое и 3d моделирование в программных комплексах SolidWorks и FlowVision. 17
2.1 Моделирование объектов исследования в среде SolidWorks 17
2.2 Визуализирование процесса теплопереноса 39
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 51
Тема исследования: моделирование в среде FlowVision процесса конвективной передачи тепловой энергии от нагретого тела к газу в замкнутом пространстве.
Актуальность исследования: Конвекция - это процесс переноса энергии потоками жидкости или газа. Конвективные движения являются неотъемлемыми элементами многих природных процессов, наблюдаемых в атмосфере и океанах Земли, а также течений, реализуемых в различных технологических устройствах. Это определяет большой интерес к экспериментальному и численному изучению конвективных процессов [1].
Процесс теплопередачи становится возможным благодаря наличию у всех тел тепловой энергии, которая обусловлена движением атомов и молекул, из которых они состоят. Решение задач теплообмена представляет большую научную и практическую значимость. Они могут быть использованы при расчетах, связанных с системой отопления частных домов, на производстве, в исследовательской деятельности [2].
Вопрос теплопереноса на примере конвекции рассматривался многими учеными, кандидатами и докторами физико-математических наук. Написано много научных работ по данной теме и сопряженной с ней так, например, Федорова А. А. в свой диссертации «Свободная конвекция жидкости и теплообмен в окрестностях трубопровода» рассчитывала тепловые потери от трубопровода в грунт с учетом миграции грунтовых вод. Попов В.Д., Бучнев С.А., Фомин А.А. и другие написали научный труд «Моделирование теплопереноса в твердых неметаллических материалах и изделиях», в котором они разработали новый метод неразрушающего контроля для твердых неметаллических материалов [3].
Объект исследования - процесс передачи тепловой энергии.
Предмет исследования - модель в среде FlowVision.
Цель работы - смоделировать в среде FlowVision процесс конвективной передачи тепловой энергии от нагретого тела (батареи) к газу в замкнутом пространстве.
Для достижения цели работы поставлены следующие задачи:
1) Изучить принципы работы программных комплексов SolidWorks и FlowVison
2) Создать 3D модель комнаты наполненной воздухом с горячей батареей внутри в SolidWorks и экспортировать эту модель во FlowVison
3) Смоделировать процесс конвективного теплопереноса от нагретого тела к газу в замкнутом пространстве с использованием созданной 3D модели.
4) Визуализировать тепловые потоки в разные моменты времени, изучить их эволюцию.
В работе были использованы следующие методы исследования: анализ литературы по теме работы, 3d и математическое моделирование процесса теплопередачи, обобщение полученных результатов.
Исходя из вышесказанного практическая значимость обусловлена возможностью использования методов моделирования, применяемых в выпускной квалифицированной работы, при расчетах и проектировании систем отопления.
Выпускная квалифицированная работа (ВКР) состоит из введения, двух глав, каждая из которых разделена на 2 подглавы, заключения, списка использованных источников.
Введение включает в себя постановку цели и задач исследования. В нем мы определили объект и предмет нашей работы. Также, описали методы, используемые в исследовании и раскрыли практическую значимость работы. В конце описана структура работы с кратким ее изложением.
В первой главе нами рассмотрены два вопроса, в связи с этим она делится на 2 подглавы. В первой подглаве рассмотрен теоретический аспект нашего исследования: конвекция, конвективный теплоперенос. Описаны формулы Навье-Стокса и энергии, используемые в среде FlowVision для расчета теплопереноса. Во второй мы подробно описали программные комплексы SolidWorks и FlowVision, привели примеры работы в них и описали их практическое назначение.
Во второй главе нашей работы мы также рассмотрели два вопроса, и она тоже разделена на две полноценные подглавы, но они обе носят практический характер. В первой мы подробно описали процесс 3d моделирования объектов нашего исследования и их сборки. Каждый шаг мы сопроводили скриншотом и описанием к нему. Во второй мы описали процесс визуализации тепловых потоков в рассматриваемой нами комнате с батареей. Здесь мы также подробно описали каждый шаг и сопроводили описание скриншотами. В работе не будет представлено расчетов так как они выполняются программным комплексом FlowVision автоматически, а также они достаточно громоздки.
В заключении мы получили визуализированные потоки нагретого воздуха в различные моменты времени и тем самым доказали наличие конвективного теплопереноса в комнате.
В списке литературы указано 30 источников из которых мы брали информацию по теме работы. Приложения отсутствуют.
Процесс конвективного теплообмена наблюдается в природе: перенос тепла в атмосфере, морях и океанах. При этом люди научились использовать его для собственных нужд. Принцип его работы используют в металлургии, ракетной технике и энергетике. Но одним из первых видов применения конвективного теплообмена, который широко используется и по настоящее время — это отопление [15].
В настоящей выпускной квалифицированной работе (ВКР) мы экспериментальным путем доказали наличие теплообмена в комнате, которую мы смоделировали в программном комплексе SolidWorks. Для этого мы визуализировали данный процесс, причем помимо визуализации течения потоков теплового воздуха в комнате, мы ещё визуализировали и изменение скорости его распространения. Для того чтобы была возможность задать граничные условия батареи находящейся внутри комнаты мы произвели её разрез на расстоянии 1500 мм от крайне стены к центру. Приостанавливая расчеты, мы фиксировали изображения в разные моменты времени и по ним проследили эволюцию конвективного теплопереноса в комнате.
Таким образом, все поставленные перед нами задачи мы в полной мере реализовали, цель работы достигнута. Материалы и результаты данной выпускной квалифицированной работы (ВКР) могут быть использованы в качестве основы для более глубокого изучения данного процесса.
