Узагальнені граничні умови радіаційно-конвективного теплообміну тіл зі середовищем через багатошарові неплоскі покриття

В. А. Шевчук

Анотація


Запропоновано підхід до побудови узагальнених граничних умов радіаційно-конвективного теплообміну тіл зі середовищем через неплоскі багатошарові покриття, який ґрунтується на використанні точного рівняння теплопровідності в шарах покриття та розвиненні функції температури за координатою вздовж нормалі до поверхні поділу тіло–покриття у степеневий ряд. Отримано розрахункові варіанти узагальнених граничних умов зрізною точністю. Виведено формули відновлення для розподілу температури за товщиною покриття через граничні значення температури та її похідної в тілі.

 

Зразок для цитування: В. А. Шевчук, “Узагальнені граничні умови радіаційно-конвективного теплообміну тіл зі середовищем через багатошарові неплоскі покриття,” Мат. методи та фіз.-мех. поля, 62, No. 2, 82–97 (2019).

Translation: V. A. Shevchuk, “Generalized boundary conditions of radiant-convection heat exchange of bodies with ambient medium through multilayer nonplanar coatings”, J. Math. Sci., 261, No. 1, 95–114 (2022), https://doi.org/10.1007/s10958-022-05741-y


Ключові слова


теплопровідність, тонке покриття, багатошарове покриття, узагальнені граничні умови, радіаційно-конвективний теплообмін

Посилання


Аттетков А. В., Беляков Н. С. Температурное поле неограниченного твердого тела, содержащего цилиндрический канал с термически тонким покрытием его поверхности // Теплофиз. высоких температур. – 2006. – 44, № 1. – С. 136–140. Те саме: Attetkov A. V., Belyakov N. S. The temperature field of an infinite solid containing a cylindrical channel with a thermally thin surface coating // High Temp. – 2006. – 44, No. 1. – P. 139–143. – https://doi.org/10.1007/s10740-006-0016-0

Березовский А. А. Нелинейные задачи теплоизлучающих тел с термически тонким покрытием // Задачи нестационарной теплопроводности. (Препр. 83.29. – Киев: Ин-т математики АН УССР), 1983. – С. 6–11.

Вендин С. В. О расчете нестационарной теплопроводности в многослойных объектах при граничных условиях третьего рода // Инж.-физ. журнал. – 1993. – 65, № 2. – С. 249–251. Те саме: Vendin S. V. Calculation of nonstationary heat conduction in multilayer objects with boundary conditions of the third kind // J. Eng. Phys. Thermophys. – 1993. – 65, No. 2. – P. 823–825. – https://doi.org/10.1007/BF00861548

Гаврись А. П., Шевчук П. Р. Математическое моделирование процессов при высокотемпературном напылении покрытий // Мат. методы и физ.-мех. поля. – 1991. – Вып. 33. – С. 13–18. Те саме: Gavris’ A. P., Shevchuk P. R. Mathematical modeling of the processes occurring during high-temperature spray coating // J. Soviet Math. – 1993. – 65, No. 5. – P. 1818–1822. – https://doi.org/10.1007/BF01097295

Гембара Н. О., Лучко Й. Й. Моделювання теплопровідності оболонок з двостороннім багатошаровим покриттям // Вісник Тернопільськ. нац. техн. ун-ту. – 2013. – 69, № 1. – С. 222–230.

Горбунов А. Д. Аналитический расчёт нагрева (охлаждения) простых тел, покрытых тонкой оболочкой // Металлург. теплотехника. – 2010. – Вып. 2(17). – С. 56–62.

Дяконюк Л. М., Муха І. С., Савула Я. Г. Моделювання і дослідження тепломасоперенесення у багатошарових середовищах з тонкими включеннями // Доп. НАН України. – 1998. – № 12. – С. 101–107.

Ержанов Р. Ж., Мацевитый Ю. М., Султангазин У. М., Шерышев В. П. Сосредоточенная емкость в задачах теплофизики и микроэлектроники. – Киев: Наук. думка, 1992. – 296 с.

Зарубин В. С. Расчет и оптимизация термоизоляции. – Москва: Энергоатомиздат, 1991. – 192 с.

Иващук Д. В. Исследование теплодиффузионных процессов и напряженного состояния в телах с покрытиями: Автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук. – Львов, 1978. – 16 с.

Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. – Москва: Наука, 1964. – 488 с. Те саме: Carslaw H. S., Jaeger J. C. Conduction of heat in solids. – Oxford (Oxfordshire): Clarendon Press, 1959. – 510 p.

Коляно Ю. М., Хомякевич Е. П. Граничные условия для определения обобщенных динамических температурных напряжений в телах с покрытиями // Термомеханические процессы в кусочно-однородных элементах конструкций. – Киев: Наук. думка, 1978. – С. 43-50.

Коляно Ю. М., Хомякевич Е. П. Обобщенная теплопроводность в телах с покрытиями, учитывающая кривизну покрытия // Инж.-физ. журн. – 1993. – 65, № 6. – С. 745–749. Те саме: Kolyano Yu. M., Khomyakevich M. E. Generalized heat conduction in coated bodies that accounts for the coating curvature // J. Eng. Phys. Thermophys. – 1993. – 65, No. 6. – P. 1251–1256. – https://doi.org/10.1007/BF00861951

Комаров Г. М. Умови спряження через термічно тонкий шар в задачах теплопровідності // Доп. НАН України. – 1996. – № 7. – С. 26–31.

Лерман Л. Б. Слоисто-неоднородные объекты с поверхностями раздела. Применение трансляционных матриц в некоторых прикладных задачах // Хімія, фізика та технологія поверхні. – 2016. – 7, № 3. – С. 255–284. – https://doi.org/10.15407/hftp07.03.255

Лерман Л. Б., Породько Л. В. Построение трансляционных матриц для неоднородных дифференциальных операторов // ScienceRise. – 2014. – № 3/2(3). – С. 63–68. – https://doi.org/10.15587/2313-8416.2014.27535

Лучко Й. Й. Розрахунок теплопровідності бетонних плит з багатошаровими покриттями // Наук. вісник Мукачівськ. техн. ін-ту. – 2006. – Вип. 2. – С. 40–46.

Мотовиловец И. А., Козлов В. И. Термоупругость. – Киев: Наук. думка, 1987. – 264 с. – Механика связанных полей в элементах конструкций: в 5 т. – Т. 1.

Подстригач  Я. С., Коляно Ю. М. Обобщенная термомеханика. – Киев: Наук. думка, 1976. – 312 с.

Подстригач Я. С., Коляно Ю. М., Семерак М. М. Температурные поля и напряжения в элементах электровакуумных приборов. – Киев: Наук. думка, 1981. – 344 с.

Подстригач Я. С., Чернуха Ю. А. Об уравнениях теплопроводности для тонкостенных элементов конструкций // Мат. методы и физ.-мех. поля. – 1975. – Вып. 2. – С. 54–59.

Подстригач Я. С., Швец Р. Н. Термоупругость тонких оболочек. – Kиев: Наук. думка, 1978. – 344 с.

Подстригач Я. С., Шевчук П. Р. Температурные поля и напряжения в телах с тонкими покрытиями // Тепловые напряжения в элементах конструкций. – 1967. – Вып. 7. – С. 227–233.

Равин В. С. Об эффективных граничных условиях в задачах стационарной теплопроводности // Инж.-физ. журн. – 1967. – 12, № 4. – С. 540–541. Те саме: Ravin V. S. Effective boundary conditions in stationary heat conduction problems // J. Eng. Phys. Thermophys. – 1967. – 12, No. 4. – P. 290–291. – https://doi.org/10.1007/BF00836540

Терлецький Р. Ф., Турій О. П. Моделювання і дослідження теплопереносу у пластинах з тонкими покриттями за врахування впливу випромінювання // Мат. методи та фіз.-мех. поля. – 2012. – 55, № 2. – С. 186–201. Те саме: Terlets’kyi R. F., Turii O. P. Modeling and investigation of heat transfer in plates with thin coatings with regard for the influence of radiation // J. Math. Sci. – 2013. – 192, No. 6. – P. 703–722. – https://doi.org/10.1007/s10958-013-1427-1

Флейшман Н. П. Математичні моделі теплового спряження середовищ із тонкими чужорідними прошарками або покриттями // Вісник Львів. ун-ту. Сер. мех.-мат. – 1993. – Вип. 39. – С. 30–34.

Чернуха Ю. А. Задача теплопроводности для облучаемых многослойных оболочек // Мат. методы и физ.-мех. поля. – 1975. – Вып. 1. – С. 104–109.

Шевчук В., Гаврись О., Шевчук П. Нелінійна крайова задача радіаційно-конвективного теплообміну тіл з багатошаровими покриттями // Машинознавство. – 2010. – 46, № 6. – С. 35–41.

Шевчук В. А. До побудови узагальнених граничних умов конвективного теплообміну тіл із середовищем через тонкі неплоскі покриття // Доп. НАН України. – 2011. – № 7. – С. 76–82.

Шевчук В. А. Обобщенные граничные условия теплообмена тела со средой через многослойное тонкое покрытие // Мат. методы и физ.-мех. поля. – 1995. – Вып. 38. – С. 116–120. Те саме: Shevchuk V. A. Generalized boundary conditions for heat transfer between a body and the surrounding medium through a multilayer thin coating // J. Math. Sci. – 1996. – 81, No. 6. – P. 3099–3102. – https://doi.org/10.1007/BF02362603

Шевчук П. Р., Гаврись А. П. Влияние лучевого нагрева на температурные режимы и остаточные напряжения при высокотемпературном напылении покрытий // Мат. методы и физ.-мех. поля. – 1989. – Вып. 30. – С. 69–73. Те саме: Shevchuk P. R., Gavris’ A. P. The influence of radiant heating on temperature schemes and residual stresses under high-emperature spray // J. Soviet Math. – 1993. – 63, No. 3. – P. 1371–1374. – https://doi.org/10.1007/BF01255745

Al Nimr M. A., Alcam M. K. A generalized thermal boundary condition // Heat Mass Transfer. – 1997. – 33, No. 1–2. – P. 157–161. – https://doi.org/10.1007/s002310050173

Bahar L. Y. Transfer matrix approach to layered systems // J. Eng. Mech. Div. – 1972. – 98, No. 5. – P. 1159–1172.

Chen J.-L., Гембара Н. О., Гвоздюк М. М. Нестаціонарна температурна задача для циліндричної оболонки з багатошаровими тонкими покривами // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2018. – 54, № 3. – С. 49–57. Те саме: Chen J.-L., Hembara N. О., Hvozdyuk M. М. Nonstationary temperature problem for a cylindrical shell with multilayer thin coatings // Material Sci. – 2018. – 54, No. 3 – P. 339–348. – https://doi.org/10.1007/s11003-018-0190-3

Chen X., Pond C., Wang X. Effective boundary conditions resulting from anisotropic and optimally aligned coatings: the two dimensional case // Arch. Ration. Mech. An. – 2012. – 206, No. 3. – P. 911–951. – https://doi.org/10.1007/s00205-012-0547-y

Du F., Lovell M. R., Wu T. W. Boundary element method analysis of temperature fields in coated cutting tools // Int. J. Solids Struct. – 2001. – 38, No. 26–27. – P. 4557–4570. – https://doi.org/10.1016/S0020-7683(00)00291-2

He B., Rui X., Zhang H. Transfer matrix method for natural vibration analysis of tree system // Math. Probl. Eng. – 2012. – Article ID 393204. − 19 p. – https://doi.org/10.1155/2012/393204

Li H. Effective boundary conditions of the heat equation on a body coated by functionally graded material // Discrete Cont. Dyn. Sys. A. – 2016. – 36, No. 3. – P. 1415–1430. – https://doi.org/10.3934/dcds.2016.36.1415

Moulton D., Pelesko J. A. Thermal boundary condition: an asymptotic analysis // Heat Mass Transfer. – 2008. – 44, No. 7. – P. 795–803. – https://doi.org/10.1007/s00231-007-0277-0

Shevchuk V. A. Calculation of thermal state of bodies with multilayer coatings // In Sloot P. M. A., Hoekstra A. G., Tan C. J. K., Dongarra J. J. (eds.) / Computational Science – ICCS 2002. ICCS 2002. Lecture Notes in Computer Science. – Berlin, Heidelberg: Springer, 2002. – Vol. 2330. – P. 500–509. – https://doi.org/10.1007/3-540-46080-2_52

Shevchuk V. A. Generalized boundary conditions to solving thermal stress problems for bodies with thin coatings // in Hetnarski R.  B. (ed.). Encyclopedia of Thermal Stresses. – Dordrecht: Springer. – 2014. – Vol. 4. – P. 1942–1953. – https://doi.org/10.1007/978-94-007-2739-7_601

Shevchuk V. A. Modeling and computation of heat transfer in a system "bodymultilayer coating” // Heat Transfer Res. – 2006. – 37, No. 5. – P. 421–423. – https://doi.org/10.1615/HeatTransRes.v37.i5.50


Повний текст: PDF

Посилання

  • Поки немає зовнішніх посилань.


Creative Commons License
Ця робота ліцензована Creative Commons Attribution 3.0 License.