Wyznaczenie współczynnika dyfuzji cieplnej κ z rozkładu amplitudy fali cieplnej

Podobne dokumenty
Rama płaska metoda elementów skończonych.

XXX OLIMPIADA FIZYCZNA (1980/1981). Stopień I, zadanie teoretyczne T4 1

Wyznaczanie profilu prędkości płynu w rurociągu o przekroju kołowym

Zastosowanie złożonych wymuszeń fali temperaturowej w absolutnej metodzie pomiaru prędkości przepływu gazów

II.6. Wahadło proste.

podsumowanie (E) E l Eds 0 V jds

Weryfikacja numeryczna modelu propagacji fal cieplnych w płynącym gazie

WYKŁAD 1. W przypadku zbiornika zawierającego gaz, stan układu jako całości jest opisany przez: temperaturę, ciśnienie i objętość.

11. DYNAMIKA RUCHU DRGAJĄCEGO

należą do grupy odbiorników energii elektrycznej idealne elementy rezystancyjne przekształcają energię prądu elektrycznego w ciepło

Elementarne przepływy potencjalne (ciąg dalszy)

OBWODY PRĄDU SINUSOIDALNEGO

L(x, 0, y, 0) = x 2 + y 2 (3)

23 PRĄD STAŁY. CZĘŚĆ 2

29 Rozpraszanie na potencjale sferycznie symetrycznym - fale kuliste

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

f = 2 śr MODULACJE

Anemometr z falą cieplną generowanie i analiza sygnału

Matematyka ubezpieczeń majątkowych r.

Analiza właściwości dynamicznych detektorów propagacji fali temperaturowej w przepływie powietrza i mieszaniny powietrze dwutlenek węgla

8. PŁASKIE ZAGADNIENIA TEORII SPRĘŻYSTOŚCI

Rozkład temperatury wokół odcinkowego nadajnika ciepła

PRZENIKANIE PRZEZ ŚCIANKĘ PŁASKĄ JEDNOWARSTWOWĄ. 3. wnikanie ciepła od ścianki do ośrodka ogrzewanego

KRYTERIA OCENIANIA ODPOWIEDZI Próbna Matura z OPERONEM. Matematyka Poziom rozszerzony

m q κ (11.1) q ω (11.2) ω =,

Cieplne Maszyny Przepływowe. Temat 8 Ogólny opis konstrukcji promieniowych maszyn wirnikowych. Część I Podstawy teorii Cieplnych Maszyn Przepływowych.

XXXVII OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP III Zadanie doświadczalne

ĆWICZENIE 3 REZONANS W OBWODACH ELEKTRYCZNYCH

Modelowanie przepływu cieczy przez ośrodki porowate Wykład III

Optymalizacja konfiguracji przestrzennej układu pomiarowego nadajnik-detektory w metodzie fal cieplnych

MIERNICTWO WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH I NIEELEKTRYCZNYCH

Modele odpowiedzi do arkusza Próbnej Matury z OPERONEM. Matematyka Poziom rozszerzony

Badania numeryczne emisji tlenku azotu w silniku gazowym

1.1 Przegląd wybranych równań i modeli fizycznych. , u x1 x 2

Równanie Fresnela. napisał Michał Wierzbicki

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

(1.1) gdzie: - f = f 2 f 1 - bezwzględna szerokość pasma, f śr = (f 2 + f 1 )/2 częstotliwość środkowa.

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISNN X 32, s , Gliwice 2006

Przejmowanie ciepła przy konwekcji swobodnej w przestrzeni ograniczonej (szczeliny)

Wzmacniacze tranzystorowe prądu stałego

PRÓBNY EGZAMIN MATURALNY Z MATEMATYKI

A. POMIARY FOTOMETRYCZNE Z WYKORZYSTANIEM FOTOOGNIWA SELENOWEGO

POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Budownictwa, Mechaniki i Petrochemii Instytut Inżynierii Mechanicznej

( ) + ( ) T ( ) + E IE E E. Obliczanie gradientu błędu metodą układu dołączonego

PRAWO OHMA DLA PRĄDU PRZEMIENNEGO

Fale dźwiękowe. Jak człowiek ocenia natężenie bodźców słuchowych? dr inż. Romuald Kędzierski

LINIA PRZESYŁOWA PRĄDU STAŁEGO

Pomiar dyfuzyjności cieplnej mieszanin gazów metodą fal cieplnych

WYDZIAŁ FIZYKI, MATEMATYKI I INFORMATYKI POLITECHNIKI KRAKOWSKIEJ Instytut Fizyki LABORATORIUM PODSTAW ELEKTROTECHNIKI, ELEKTRONIKI I MIERNICTWA

MECHANIKA OGÓLNA (II)

WYKŁAD 11 OPTYMALIZACJA WIELOKRYTERIALNA

Implementacja i badania parametrów metrologicznych różnicowego anemometru z falą cieplną w adaptacyjnym komputerowym systemie termoanemometrycznym

TECHNIKI INFORMATYCZNE W ODLEWNICTWIE

Ćw. 5. Badanie ruchu wahadła sprężynowego sprawdzenie wzoru na okres drgań

ZWIĄZEK FUNKCJI OMEGA Z DOMINACJĄ STOCHASTYCZNĄ

Graf skierowany. Graf zależności dla struktur drzewiastych rozgrywających parametrycznie

Równania Maxwella. Wstęp E B H J D

Analiza numeryczno-doświadczalna przepływomierzy kolanowych

A. Cel ćwiczenia. B. Część teoretyczna

Prędkość fazowa i grupowa fali elektromagnetycznej w falowodzie

- Strumień mocy, który wpływa do obszaru ograniczonego powierzchnią A ( z minusem wpływa z plusem wypływa)

(U.3) Podstawy formalizmu mechaniki kwantowej

Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła na bazie elektrowni jądrowej w Polsce

Energia kinetyczna i praca. Energia potencjalna

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

KRYTERIA OCENIANIA ODPOWIEDZI Próbna Matura z OPERONEM. Matematyka Poziom rozszerzony

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 1: Wahadło fizyczne. opis ruchu drgającego a w szczególności drgań wahadła fizycznego

1 Płaska fala elektromagnetyczna

Zadania do rozdziału 5

Uwagi: LABORATORIUM WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW. Ćwiczenie nr 16 MECHANIKA PĘKANIA. ZNORMALIZOWANY POMIAR ODPORNOŚCI MATERIAŁÓW NA PĘKANIE.

KONKURS Z MATEMATYKI DLA UCZNIÓW SZKÓŁ PODSTAWOWYCH

Pomiary napięć przemiennych

PROBLEMY NUMERYCZNEGO MODELOWANIA PRZEPŁYWÓW Z REAKCJAMI ELEKTROCHEMICZNYMI W OGNIWIE PALIWOWYM SOFC

Podstawowe człony dynamiczne

W celu obliczenia charakterystyki częstotliwościowej zastosujemy wzór 1. charakterystyka amplitudowa 0,

LABORATORIUM ELEKTROAKUSTYKI. ĆWICZENIE NR 1 Drgania układów mechanicznych

Laboratorium Półprzewodniki, Dielektryki i Magnetyki Ćwiczenie nr 10 Pomiary czasu życia nośników w półprzewodnikach

INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA

ĆWICZENIE 5. Badanie przekaźnikowych układów sterowania

WYZNACZANIE HARMONICZNYCH PRZESTRZENNYCH SEM INDUKOWANYCH W PRĘTACH WIRNIKA JEDNOFAZOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO Z POMOCNICZYM UZWOJENIEM ZWARTYM

Informacje. Danuta Kruk. Pokój: D2/20. Telefon:

RÓWNANIE RÓśNICZKOWE LINIOWE

PRAWO OHMA DLA PRĄDU PRZEMIENNEGO

Zaliczenie wykładu Technika Analogowa Przykładowe pytania (czas zaliczenia minut, liczba pytań 6 8)

Teoria Względności. Czarne Dziury

CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE

DRGANIA WŁASNE RAM OBLICZANIE CZĘSTOŚCI KOŁOWYCH DRGAŃ WŁASNYCH

Przejścia międzypasmowe

BADANIE SILNIKA WYKONAWCZEGO PRĄDU STAŁEGO

Klasyczna akrecja dyskowa

ROZWIAZANIA ZAGADNIEŃ PRZEPŁYWU FILTRACYJNEGO METODAMI ANALITYCZNYMI.

Rozdział V WARSTWOWY MODEL ZNISZCZENIA POWŁOK W CZASIE PRZEMIANY WODA-LÓD. Wprowadzenie

KINEMATYKA I DYNAMIKA CIAŁA STAŁEGO. dr inż. Janusz Zachwieja wykład opracowany na podstawie literatury

Widmo fal elektromagnetycznych

Metody optymalizacji. dr inż. Paweł Zalewski Akademia Morska w Szczecinie

MORFOLOGIA KORYT RZECZNYCH, POMIARY, MODELOWANIE I PROGNOZOWANIE PROCESÓW RZECZNYCH

Wykład 21: Studnie i bariery cz.1.

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Rodzaje fal. 1. Fale mechaniczne. 2. Fale elektromagnetyczne. 3. Fale materii. dyfrakcja elektronów

LIV OLIMPIADA FIZYCZNA 2004/2005 Zawody II stopnia

Transkrypt:

ace Instytutu Mechanii Góotwou AN Tom 15, n 3-, gudzień 13, s. 69-75 Instytut Mechanii Góotwou AN Wyznaczenie współczynnia dyfuzji cieplnej κ z ozładu amplitudy fali cieplnej JAN KIEŁBASA Instytut Mechanii Góotwou AN; ul. Reymonta 7, 3-59 Kaów Steszczenie W pacy podano sposób wyznaczenia współczynnia dyfuzji cieplnej κ wyozystując ozład podłużny lub popzeczny amplitudy fali cieplnej geneowanej pzez opływane peiodyczne źódło ciepła (opływane włóno anemometu z sinusoidalną modulacją amplitudy). Słowa luczowe: anemomet stałoezystancyjny, anemomet z falą cieplną, fala cieplna 1. Wstęp Dotychczas analizowano ozłady fazy fali cieplnej w aspecie wyznaczenia pędości pzepływu gazu. Teoie tego pocesu podano w pacy [1] i dalej ozwijano w pacach [-5]. onieważ o popagacji fali cieplnej decyduje taże odzaj medium, głównie popzez współczyczynnni dyfuzji cieplnej κ dlatego też wato wyznaczyć jego watość a taą możliwość daje analiza ozładu amplitudy fali cieplnej, powstającej w płynącym medium, w tóym mamy opływane peiodyczne źódło ciepła.. Rozład tempeatuy woół źódła zmiennego w czasie, o zadanej intensywności, opływanego pzez gaz zepływający z pędością gaz ma stałą tempeatuę T, w całej w półpzestzeni. Źódło ciepła (Rys. 1) podnosi tempeatuę gazu w oolicach źódła i ta nadwyża tempeatuy T(,y,t) jest funcją współzędnych, y i czasu t. Można więc napisać, że tempeatua zeczywista płynu T (,y,t) jest ówna T (, y, t) T (, y) T(, y, t) (1) Rys. 1. Stoli oodynatometu i źódło ciepła (nadajni fali) opływane pzez płynące medium

7 Jan Kiełbasa Równanie opisujące ozład nadwyżi tempeatuy T(,y,t) ma postać [1]: dtyt (,, ) dtyt (,, ) dtyt (,, ) dtyt (,, ) 1 ( ) q(, y, t) () dt d d dy c κ jest współczynniiem dyfuzji cieplnej pzepływającego gazu, ρ gęstością gazu a c ciepłem właściwym pod stałym ciśnieniem gazu, zaś q(, y, t) oznacza moc źódła ciepła. Zadany waune początowy jest dany wyażeniem a bzegowy Rozwiązanie ównania () ma postać T(, y,) (3) () lim Tt (, ) y pzy czym (,, ) i t (( ) ) c T y t e K A ib (5) ω = ω, = 1,, 3... (6) (7) () (9) 1 1 A (1 1 ) i B ( 1 1 ) (1) 3. Asymptotyczny ozład tempeatuy woół peiodycznego źódła Analiza ozwiązania (5) jest utudniona ze względu na występującą tu funcję Bessela K (ζ ) od zespolonego agumentu ζ = A + ib. Dalszą analizę ozwiązania pzepowadzi się wyozystując asymptotyczne ozwinięcie funcji K (ζ ) wg zależności [6] 1 9 5 K ( ) (1...) (11) e 3!( ) 3!( ) i pzy spełnieniu waunu, że wszystie sładnii w nawiasie z wyjątiem jedyni można zaniedbać, czyli że jest spełniona nieówność 1 1 (1) ozwiązanie (5) może być wówczas zapisane w fomie n i[ t ( )] T(, y, t) (, y) e (13)

Wyznaczenie współczynnia dyfuzji cieplnej κ z ozładu amplitudy fali cieplnej 71 ( y, ) C 1 e A (1) 1 ( ) B actg (15) Waune (1) w zmiennych fizycznych opisujących zjawiso zapisze się w postaci 1 i 1 16 1 (16) Jeżeli chcemy by błąd wyniający z zaniedbania sładniów ozwinięcia nie pzeaczał watości 1% to odległość puntów od źódła musi spełniać waune A B 1 1.5 (17) tóy pociąga za sobą, że 5 16 (1) Widzimy, że jest funcją malejącą pędości gazu, i najwięszą watość uzysuje dla =. Wówczas mamy 5 ( ).97 (19) f f () Równanie (19) może posłużyć do obliczenia danych geometycznych dla sondy o zastosowaniach użytowych. Na Rys. poazano odzinę zywych dla powietza (κ =.1 cm /s) w zależności od pzy óżnych częstotliwościach f fali tempeatuowej. Rozładami fazy fali tempeatuowej (15) zajmowali się auto w pacach [1-] oaz A. Rachalsi w [5-7]. Rys.. Zależność jao funcja pędości powietza pzy óżnych częstotliwościach f fali tempeatuowej

7 Jan Kiełbasa. Wyozystanie ozładu amplitudy fali Z ozładu amplitudy fali tempeatuowej możemy wyznaczyć współczynni dyfuzji cieplnej. Wyozystując wzó (1) wpowadza się nowe funcje A z (,y) i L a (,y) będące zmodyfioaną amplitudą fali oaz logaytmem zmodyfiowanej amplitudy, tóe definiujemy jao C Az (, y) (, ) y e 1 A (1) oaz a (, ) ln( (, ) ln( (, )) ln( ) ln( 1 ) z L y A y y C A () Gdy pomiau ozładu amplitudy fali tempeatuowej doonywać się będzie wzdłuż osi (tzn. gdy y = ) wzó () możemy pzedstawić jao L (,) C (1 A ) (3) a, C ln C ln 1 (),, Gdy spełnimy waune (co jest nietudne), że <,3, to można zastosować pzybliżenie Wyozystując () wzó (3) możemy zapisać jao A 1 1 (5) a (,),, 3, L C C C (6) 3 (7) Widzimy więc, że logaytm natualny zmodyfiowanego ozładu amplitudy fali cieplnej jest liniową funcją odległości od źódła. Z nachylenia postej można łatwo wyznaczyć współczynni dyfuzji cieplnej, tóy oeśla zależność 3 3 f () Analogicznie możemy wyozystać popzeczne ozłady amplitudy (patz Rys. 1). Wyozystując () i wpowadzając L C A (9) a y (3) y y (31)

Wyznaczenie współczynnia dyfuzji cieplnej κ z ozładu amplitudy fali cieplnej 73 pawą stonę ównania (9) możemy pzeształcić jao 1 C y (1 1 ) (3) Rozwijając podwójny piewiaste w szeeg dostaje się a po dalszych pzybliżeniach y y 1 C (1 1 ) C [1 (1 )(1 )] (33) y C (1 ) (1 ) (3) zechodząc teaz do zmiennych fizycznych wzó (3) zapisze się jao L a y C (1 ) (1 ) (35) onieważ inteesuje nas tu popzeczny pofil amplitudy fali tempeatuowej, więc współzędna jest tu paametem, podobnie ja i ω. Stąd możemy napisać a (,, ) (,,, ) (36) L y i 3 (,, ) (1 ) (37) y (1 ) (3) Gdy.1 to zależność (3) eduuje się do y C (39 Znając dla onetnego ozładu watość β możemy wyznaczyć watość κ. Dla waunów dopuszczających tę analizę możemy zaniedbać dugi wyaz w nawiasie w (3) i wówczas () 5. Wauni pzepowadzania espeymentu Kila słów należy tu jeszcze powiedzieć na temat waunów geometycznych jaie należy dochować by spełniona była nieówność (19). Analiza tej nieówności powadzi do następującej zależności, tóa winna być w espeymencie zachowana. 5 16 1 (1)

7 Jan Kiełbasa Jeśli.1 () to z dostateczną doładnością Nieówność (1) można zapisać w zmiennych bezwymiaowych jao 5 (3) 1.5 1 () Najbadziej nieozystny pzypade zachodzi dla =. Wówczas nieówność (1) możemy zapisać w fomie 5 5 (5) f f W innym pzypadu, gdy > auto postępuje następująco: jeżeli oczeuje się, że najmniejsza ealizowana w espeymencie pędość będzie mieć watość i tę pędość chcemy wyznaczyć z niedoładnością 1% wówczas częstotliwość fali cieplnej f musi spełniać waune f. (6) wyniający bezpośednio z nieówności (1). zeształcając dalej dostaje się f (7) Wówczas wyazi się wzoem 5 () Gdy mamy ustaloną częstotliwość f a chcemy wiedzieć jaą pędość można już miezyć z 1% niedoładnością, to z ównania (6) znajdujemy f 11.1 f (9) Dla pzyładu geneując falę cieplną o częstotliwości f = Hz, znajdujemy, że > 3. cm/s, a =1.5 mm. Natomiast chcąc zmiezyć pzepływ powietza o pędości = 5cm/s z tą samą niedoładnością, częstotliwość fali winna wynosić 1 Hz, a jest ówne 1 mm. aca ealizowana w amach ojetu Badawczego NCN 1/7/B/ST/31: Badania pzestzennej popagacji oaz optymalizacja metod geneacji, detecji i analizy fal tempeatuowych w aspecie bezwzględnego pomiau pędości pzepływu i dyfuzyjności cieplnej gazów

Wyznaczenie współczynnia dyfuzji cieplnej κ z ozładu amplitudy fali cieplnej 75 Liteatua [1] Kiełbasa J.: Fale cieplne w metologii powolnych pzepływów. Zeszyty nauowe AGH. Seia: Gónictwo. Z. 7, 1976. [] Kiełbasa J.: Czas fomowania się fal cieplnych w płynącym medium. Ach. Min. Sci., Vol. 1, No 1, p. 71-, 1996. [3] Kiełbasa J.: Measuements of steady fl ow elocity using the themal wale method. Ach. Min. Sci., Vol. 5, No, p. 191-, 5. [] Kiełbasa J.: Steady state elocity measuements by the themal wae method. Ach. Min. Sci., Vol. 51, No, p. 59-59, 6. [5] Rachalsi A.: High-pecision anemomet with themal wale. Re. Sci. Inst. 77(9), 6. [6] Rachalsi A.: Absolute measuement of low flow by means of the specta analysis of the themal wale. Re. Sci. Instum., (), 13. [7] Rachalsi A.: Absolutny pomia badzo małych pędości pzepływu gazu metodą fal cieplnych. AK. 6, 13. Deteing the themal diffusion coefficient κ basing on the themal wae distibution amplitudes Abstact The method is outlined that is used to detee the themal diffusion coefficient κ based on the longitudinal o tansese distibution of the themal wae amplitude geneated by the heat souce aound which a medium flows (a hot wie in a anemomete with sine amplitude modulations). Keywods: constant-esistance anemomete, themal wae anemomete, themal wae