Программа расчет температурных полей. Проектно–конструкторское бюро «остов. Расчет температурных полей участков ограждающих конструкций зданий и сооружений

25.08.2023

Область применения Построение объемных температурных полей в геоинженерии, геотехнике, геотермике и горном деле по данным термометрических сетей в криолитозоне. Знание температурного состояния пород и грунтов оснований инженерных сооружений в крилитозоне - гидроузлов, надшахтных сооружений подземных рудников, эксплуатируемых зданий, ТЭЦ возведенных на вечной мерзлоте - залог их безопасной эксплуатации. Область применения программы также определяется тем, что более что 60% территории РФ географически расположено в криолитозоне Земли.

Описание алгоритма Алгоритм представляет собой численную реализацию авторской схемы (далее "схема") в рамках классической системы автоматизированного управления с прямыми и обратными связями. Предназначен для обработки пространственно распределенных температурных данных "рассеянного" типа в методе смены стационарных состояний при решении геотеплофизических задач для медленнопротекающих процессов, повсеместно возникающих в геоинженерии (особенно в осваиваемых районах Севера и Арктического шельфа).

Общие элементы алгоритма и некоторые результаты работы программы приведены в статье .

В.В. Неклюдов, С.А. Великин, А.В. Малышев, Контроль температурного состояния оснований рудников в криолитозоне средствами автоматизированного мониторинга, Криосфера Земли, 2014, №4.

Для обеспечения геокриологической безопасности при эксплуатации инженерных объектов в криолитозоне "схема" использует проверенные и надежные алгоритмы 2D или 3D интерполяции "рассеянных" данных. Исходные температурные данные разбиты на два блока:

температурные параметры объемных квазистационарных тепловых источников объекта: шахтный ствол, совокупность объемных вентиляционных каналов, система замораживающих колонок и термосифонов;
температуры измерительной скважинной сети: вертикальные термометрические скважины и горизонтальные скважины, а также единичные температурные датчики на входе и выходе замораживающей системы.

"Схема" обеспечивает чтение геометрии объекта и геометрии скважинных термометрических сетей, а также элементы строительных чертежей, в соответствии с которыми формируется объемная сетка с температурными данными. После 2D или 3D интерполяции (опционально), "схема" позволяет вывести полученный температурный параллелепипед в формате, пригодном для чтения другими (по желанию Заказчика) профессиональными графическими системами.

Исходная геометрия объекта для "схемы" формируется по строительным чертежам в известной программе "Surfer".

"Схема" позволяет:

работать с БД многолетних (автоматизированных) наблюдений и строить как геокриологические температурные разрезы, так и геокриологические разрезы скоростей промерзания-оттаивания, причем как в 2D, так и 3D виде;
численно оценивать некоторые теплофизические характеристики (коэффициент температуропроводности и др.) грунтов и пород фундамента объекта непосредственно в полевых условиях как решение коэффициентной задачи простейшего уравнения теплопереноса;
строить объемные изотермические поверхности в объеме фундамента (подземного рудника), в т.ч. и в динамике, что позволяет оценить пространственное распределение областей фазовых переходов и выйти на построение термодинамических характеристик грунтов фундамента.

"Схема" предоставляет возможность интерактивной работы с построенным кубом температурного поля:

одним кликом перемещаться между глубинными и вертикальными срезами.
одним кликом задавать дополнительные точки на глубинном срезе с указанием новой температуры в ней и проведением перерасчета интерполяции на этом глубинном срезе.
осуществлять коррекцию коротких скважин в интервале экстраполяции.

Применение авторской опции "экстраполяции" коротких скважин до глубин длинных скважин существенно расширяет возможности объемных построений в геотехнической индустрии. Возможно использование других возможностей по желанию Заказчика

"Схема" предоставляет опцию "online - мониторинга" на дисплее производственного компьютера (по имеющейся истории многолетних температурных измерений) динамики температур по всем термометрическим скважинам фундамента надшахтных высотных сооружений подземного рудника. Такая возможность позволяет оператору замораживающей станции напрямую визуально фиксировать появление трендов аномальных температур в текущей динамике и реагировать на нестандартные ситуации путем задания дополнительных параметров в контуре обратной связи в САУ «термометрическая система -резидентная программа - замораживающая система».

"Схема" реализована для версии «CPU-расчетов», однако может быть перенесена на случай «GPU-расчетов».

Функциональные возможности Типичный объем обрабатываемых данных составляет до 8 Гб ОП для крупнейших подземных рудников в криолитозоне РФ на один типовой фундамент подземного рудника.

Детальность температурных построений алгоритмом программы "Термик" обеспечивается с детальностью до получения температурных градиентов на поперечном сечении сваи, с точностью до ее формы - круглая или квадратная. Точность собственно температурных построений обеспечивается точностью используемых температурных датчиков - как правило, до сотых градуса Цельсия. Погрешность также определяется аппаратурной составляющей. Такие возможности, предоставляемые алгоритмом программы «Термик», которые в настоящее время отсутствуют в других известных геотехнических системах, позволяют эксплуатационникам оценивать т.н. температурные деформационные напряжения на сваях и других элементах (тюбинги и проч.) в целях контроля их разрушения.

Инструментальные средства реализации алгоритма - семейство C++, в описываемой версии 64bit - программных сред программирования. Для пользователя поставляется в виде исполняемого файла.

УДК 678.065.028.001.24

В. А. ИЩЕНКО, М. В. ШАПТАЛА (ДИИТ)

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ

ПРИ ВУЛКАНИЗАЦИИ ЭЛАСТОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Розроблена методика розрахунку тривимiрного температурного поля методом сюнченних елементгв для визначення часу вулкашзаци еластомiрних виробiв, як1 мають складну поверхню на^ву. На прикладi вели-когабаритно! шини показано, що з урахуванням тривишрного розподiлу температур у порiвняннi i3 методикою плоского перетину, яка зараз використовуеться в промисловостi, час вулкашзаци можна зменшити на 6.. .8 %. Це дае суттеву економш теплово! енерги в умовах масового виробництва.

Разработана методика расчета трехмерного температурного поля методом конечных элементов для определения времени вулканизации эластомерных изделий с геометрически сложными поверхностями нагрева. На примере крупногабаритной шины показано, что учет трехмерности распределения температур по сравнению с методикой плоского сечения, которая в настоящее время применяется в промышленности, позволяет на 6. 8 % сократить время вулканизации, что приводит к существенной экономии тепловой энергии в условиях массового производства.

A procedure has been developed of calculating a 3-D temperature field with application of FEM for determination of vulcanization time of elastomer products with geometrically complex heating surfaces. On the example of heavy-duty tire it has been shown that the account of the 3-D nature of temperature distribution allows to reduce vulcanization time by 6-8 % in comparison with the plane section procedure, which is currently used in industry, which results in significant savings of thermal energy in conditions of commercial production.

Технологией изготовления эластомерных изделий предусмотрена вулканизация, в процессе которой сырая заготовка за счет выдержки при высокой температуре и давлении в пресс-формах приобретает нужную геометрию, а эластомерный материал необходимые свойства. Тепловой режимы вулканизации индивидуален для каждого изделия. Неправильно выбранный тепловой режим либо приведет к перерасходу дорогостоящей тепловой энергии, либо не обеспечит изделию необходимое качество. Поэтому выбор рационального режима вулканизации резиновых и резинотехнических изделий, а особенно многослойных изделий сложной геометрической формы, например, пневматических шин, является актуальной задачей.

Для разработки рационального режима вулканизации эластомерного изделия необходимо знание его температурных полей с целью определения времени достижения необходимой степени вулканизации в так называемой холодной точке конструкции, т. е. в такой точке, температура в которой минимальна. Температурное поле шины определяется теплофизическими характеристиками материалов, которые являются функциями температуры, сложной геометрии поверхностей нагрева, внутренними источниками тепла, обу-словлеными тепловыделениями при химических реакциях вулканизации и переменными по времени температурами на наружной и внутренней поверхностях шины.

Вне зависимости от типа вулканизационно-го оборудования покрышки нагреваются в ме-

таллических прессформах, обогреваемых паром; внутренний нагрев и прессование осуществляется путем закладки внутрь покрышек резиновых варочных камер или диафрагм. Вид и параметры теплоносителей со стороны формы и диафрагмы неодинаковы (рис. 1).

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1(0 120

Время.мин

Рис. 1. График изменения граничных условий

Тепловая задача такого рода не может быть решена аналитическими методами. Последние целесообразно использовать только для предварительных ориентировочных оценок. Так, вместо сложного составного тела в первом приближении может рассматриваться однородная неограниченная пластина, для которой имеется решение - распределение по толщине и изменение во времени температуры .

В настоящее время для построения режимов вулканизации пневматических шин используется либо метод приведенной пластины , при котором рассчитывается одномерное температурное поле, либо метод плоского сечения , форма которого учитывает особенности протектора шины, для которого рассчитывается

двумерное температурное поле. В первом случае необходимо задать такую толщину пластины, которая бы учитывала насыщенность рисунка протектора и ряд других факторов. Во втором случае в шине выбирается наиболее труднопрогреваемое сечение, выбор которого основан на опыте и интуиции исследователя.

При проведении подобного рода расчетов пренебрегают кривизной профиля покрышки, непараллельностью слоев, разными начальными температурами формы, покрышки и камеры, зависимостью теплофизических характеристик от температуры, с заменой трехмерных (в рисунке протектора) тепловых потоков, выделение теплоты реакции вулканизации.

С целью учета всех особенностей конструкции шины, теплофизических характеристик материалов и внутренних источников тепла разработана методика расчета трехмерного температурного поля с применением метода конечных элементов.

Уравнение теплопроводности в цилиндрических координатах для расчета температурных полей в трехмерном виде с внутренними источниками тепла, обусловленными тепловыделениями при протекании химической реакции вулканизации:

dt 2 - = aV 2t-d т

где коэффициент температуропроводности

X, ер, р - теплопроводность, теплоемкость и

плотность соответственно; - внутренние источники тепла; оператор Лапласа (для цилиндрической системы координат)

w2 д2 1 д 1 д2 V2 =-

поверхности пресс-формы и диафрагмы соответствующим температурам теплоносителей. Температура на внутренней и наружной поверхностях изделия является функцией времени т. е. заданы граничные условия 1-го рода (см. рис. 1).

Геометрическая модель крупногабаритной шины с конечно-элементной сеткой представлена на рис. 2 с отображением всех особенностей рисунка протектора и конструкции в целом, а также с указанием типов материалов. Ввиду симметричности приведен один шаг шины.

дг2 г дг Г2 дф2 дz

В начальный момент времени температура изделия во всех слоях одинакова и соответствует заданной

В расчете принималось равенство температур

Рис. 2. Расчетная модель

Теплофизические характеристики материалов являются функциями температуры.

Величина внутренних источников тепла определяется тепловым эффектом реакции вулканизации, который зависит от химического состава резин.

Сравнительные расчеты температурных полей различных вариантов выполнены с использованием конечно-элементного пакета MSC Marc. Первый вариант расчета соответствовал методу приведенной пластины, толщина которой выбиралась в соответствии с . Во втором варианте рассчитывалось плоское сечение , которое соответствовало угловой зоне, где толщина покрышки максимальна. Третий вариант соответствовал реальной конструкции (см. рис. 2). Основные результаты расчета представлены в таблице.

Сравнительная таблица времени вулканизации

Параметры Одномерная задача Двумерная задача Трехмерная задача

Без вн. источников С вн. источниками

Время достижения 90 % величины модуля

сдвига, в %, относительно одномерной задачи 100 91,4 88 85,2

Экономия тепла по сравнению

с одномерным расчетом, % 8,6 12 14,8

Таким образом, для крупногабаритной шины с относительно простым рисунком протектора учет трехмерности конструкции и внутренних источников тепла позволяет на 6,2 % сократить время вулканизации, однако, это преимущество не следует распространять на другие типы шин, ввиду существенного влияния вида рисунка протектора, граничных условий и других исходных данных.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лыков А. В. Теория теплопроводности. - М.: Высш. школа, 1967. -599 с.

2. Аранович Ф. Д. Расчет продолжительности вулканизации покрышек сельскохозяйственных и крупногабаритных автомобильных шин методом приведенной пластины, / Ф. Д. Аранович, В. А. Ищенко, Л. Б. Никитина, М. И. Свердел // Каучук и резина. 1976 - № 6. - С. 28-32.

3. Свердел М. И. Программное обеспечение проектирование режимов и некороые аспекты повышения эффективности процесса вулканизации покрышек пневматических шин /М. И. Свердел, А. В. Зимин, Е. А. Дзюра и др. // Вопросы химии и химических технологий. 2002. - № 4.

Общие элементы алгоритма и некоторые результаты работы программы приведены в статье .

температурные параметры объемных квазистационарных тепловых источников объекта: шахтный ствол, совокупность объемных вентиляционных каналов, система замораживающих колонок и термосифонов;
температуры измерительной скважинной сети: вертикальные термометрические скважины и горизонтальные скважины, а также единичные температурные датчики на входе и выходе замораживающей системы.

Исходная геометрия объекта для "схемы" формируется по строительным чертежам в известной программе "Surfer".

"Схема" позволяет:

работать с БД многолетних (автоматизированных) наблюдений и строить как геокриологические температурные разрезы, так и геокриологические разрезы скоростей промерзания-оттаивания, причем как в 2D, так и 3D виде;
численно оценивать некоторые теплофизические характеристики (коэффициент температуропроводности и др.) грунтов и пород фундамента объекта непосредственно в полевых условиях как решение коэффициентной задачи простейшего уравнения теплопереноса;
строить объемные изотермические поверхности в объеме фундамента (подземного рудника), в т.ч. и в динамике, что позволяет оценить пространственное распределение областей фазовых переходов и выйти на построение термодинамических характеристик грунтов фундамента.

"Схема" предоставляет возможность интерактивной работы с построенным кубом температурного поля:

одним кликом перемещаться между глубинными и вертикальными срезами.
одним кликом задавать дополнительные точки на глубинном срезе с указанием новой температуры в ней и проведением перерасчета интерполяции на этом глубинном срезе.
осуществлять коррекцию коротких скважин в интервале экстраполяции.

"Схема" реализована для версии «CPU-расчетов», однако может быть перенесена на случай «GPU-расчетов».