Přednáška č. 5: Jednorozměrné ustálené vedení tepla

Podobné dokumenty
1 Vedení tepla stacionární úloha

1 Zatížení konstrukcí teplotou

TERMIKA II. Stacionární vedení s dokonalou i nedokonalou izolací; Obecná rovnice vedení tepla; Přestup a prostup tepla;

Výpočtové nadstavby pro CAD

U218 Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze. Seminář z PHTH. 3. ročník. Fakulta strojní ČVUT v Praze

TERMOMECHANIKA 15. Základy přenosu tepla

VI. Nestacionární vedení tepla

Termomechanika 11. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

U218 - Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze. ! t 2 :! Stacionární děj, bez vnitřního zdroje, se zanedbatelnou viskózní disipací

M T I B A ZÁKLADY VEDENÍ TEPLA 2010/03/22

Termomechanika 10. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

Vzpěr jednoduchého rámu, diferenciální operátory. Lenka Dohnalová

Základy matematiky pro FEK

Termomechanika 9. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

PROCESY V TECHNICE BUDOV 12

U218 Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze. Seminář z PHTH. 3. ročník. Fakulta strojní ČVUT v Praze

ELEKTRICKÝ PROUD ELEKTRICKÝ ODPOR (REZISTANCE) REZISTIVITA

Kapitola 11: Lineární diferenciální rovnice 1/15

102FYZB-Termomechanika

Technologie a procesy sušení dřeva

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123TVVM tepelně-fyzikální parametry

ZÁKLADY STAVEBNÍ FYZIKY

5.4 Adiabatický děj Polytropický děj Porovnání dějů Základy tepelných cyklů První zákon termodynamiky pro cykly 42 6.

11. přednáška 10. prosince Kapitola 3. Úvod do teorie diferenciálních rovnic. Obyčejná diferenciální rovnice řádu n (ODR řádu n) je vztah

2 Odvození pomocí rovnováhy sil

Vibrace atomů v mřížce, tepelná kapacita pevných látek

LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) LDR druhého řádu VMAT, IMT 1 / 22

Šíření tepla. Obecnéprincipy

Pružnost a pevnost. zimní semestr 2013/14

1 Ohyb desek - mindlinovské řešení

1 Stabilita prutových konstrukcí

1 Přesnost metody konečných prvků

NOSNÍK NA PRUŽNÉM PODLOŽÍ (WINKLEROVSKÉM)

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

24. Parciální diferenciální rovnice

Matematika 5 FSV UK, ZS Miroslav Zelený

Parametrické rovnice křivky

Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Markov Chain Monte Carlo. Jan Kracík.

Nelineární analýza materiálů a konstrukcí (V-132YNAK) Přednáška 2 Princip metody konečných prvků

FAKULTA STAVEBNÍ. Telefon: WWW:

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123MAIN tepelně-fyzikální parametry

Řešení 1D vedení tepla metodou sítí a metodou

Stavební tepelná technika 1 - část A Jan Tywoniak ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební. Stavební fyzika (L)

Fakt. Každou soustavu n lineárních ODR řádů n i lze eliminací převést ekvivalentně na jednu lineární ODR

Literatura: Kapitoly 3, 4 a 2 d) ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

Modelování vázaného šíření teplotněvlhkostního

ANALÝZA KONSTRUKCÍ. 5. přednáška

VEKTOROVÁ POLE Otázky

Úvod. Integrování je inverzní proces k derivování Máme zderivovanou funkci a integrací získáme původní funkci kterou jsme derivovali

Rozdíly mezi MKP a MHP, oblasti jejich využití.

Měření prostupu tepla

které charakterizují danou fyzikální situaci. souvislostí). Může být formulován jako soustava rovnic a nerovnic.

Obsah. Matematika. Obsah. Ljapunovova metoda. Volba LF

TENKOSTĚNNÉ A SPŘAŽENÉ KONSTRUKCE

Stanovení požární odolnosti. Přestup tepla do konstrukce v ČSN EN

Teorie transportu plynů a par polymerními membránami. Doc. Ing. Milan Šípek, CSc. Ústav fyzikální chemie VŠCHT Praha

PRUŽNOST A PEVNOST II

TERMOFYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI. Radek Vašíček

1 Rozdělení mechaniky a její náplň

ODĚVNÍ KOMFORT TERMOFYZIOLOGICKÝ KOMFORT

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Základní rovnice. - laminární tok -

Tento dokument obsahuje zadání pro semestrální programy z PAA. Vypracování. vypracovanou úlohu podle níže uvedených zadání. To mimo jiné znamená, že

Jednoduchý sdružený model pro tepelně technické posouzení stavební konstrukce

Termomechanika cvičení

TENKOSTĚNNÉ A SPŘAŽENÉ KONSTRUKCE

4. Stanovení teplotního součinitele odporu kovů

Diferenciální rovnice a jejich aplikace. (Brkos 2011) Diferenciální rovnice a jejich aplikace 1 / 36

Kontraktantní/dilatantní

ZKUŠEBNÍ ZAŘÍZENÍ PRO HODNOCENÍ SKRÁPĚNÝCH TRUBKOVÝCH SVAZKŮ

FYZIKA II. Petr Praus 6. Přednáška elektrický proud

BH059 Tepelná technika budov přednáška č.1 Ing. Danuše Čuprová, CSc., Ing. Sylva Bantová, Ph.D.

FAKULTA STAVEBNÍ. Stavební statika. Telefon: WWW:

Nejdřív spočítáme jeden příklad na variaci konstant pro lineární diferenciální rovnici 2. řádu s kostantními koeficienty. y + y = 4 sin t.


Sbírka příkladů z matematické analýzy II. Petr Tomiczek

Drsná matematika III 6. přednáška Obyčejné diferenciální rovnice vyšších řádů, Eulerovo přibližné řešení a poznámky o odhadech chyb

Diferenciální rovnice

Vedení tepla KATEDRA EXPERIMENTÁLNÍ FYZIKY PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA UNIVERZITY PALACKÉHO V OLOMOUCI

VEKTOROVÁ POLE VEKTOROVÁ POLE

PROCESY V TECHNICE BUDOV 11

FAKULTA STAVEBNÍ NELINEÁRNÍ MECHANIKA. Telefon: WWW:

Dnešní látka: Literatura: Kapitoly 3 a 4 ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

Základy vakuové techniky

PRUŽNOST A PLASTICITA I

1. Cvičení: Opakování derivace a integrály

Co jsme udělali: Au = f, u D(A)

Vedení tepla v MKP. Konstantní tepelné toky. Analogické úlohám statiky v mechanice kontinua

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Řešení rovnic. - metoda konečných objemů -

ROVNICE NA ČASOVÝCH ŠKÁLÁCH A NÁHODNÉ PROCESY. Michal Friesl

Katedra matematiky Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze Příjmení a jméno ➊ ➋ ➌ ➍ ➎ ➏ Bonus

21. Úvod do teorie parciálních diferenciálních rovnic

TERMOMECHANIKA 1. Základní pojmy

PARCIÁLNÍ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

Termodynamika v biochemii

Úvod do parciálních diferenciálních rovnic. 2 Kanonický tvar lineárních PDR 2. řádu pro funkce

Lineární stabilita a teorie II. řádu

Vliv kapilární vodivosti na tepelně technické vlastnosti stavební konstrukce

vztažný systém obecné napětí předchozí OBSAH další

FBI nevratné procesy Nevratný proces Nevratný proces nevratný ireverzibilní děj relaxační procesy Fickův zákon Fourierův zákon Ohmův zákon

Transkript:

Přednáška č. 5: Jednorozměrné ustálené vedení tepla Motivace Diferenciální rovnice problému Gradient teploty Energetická bilance Fourierův zákon Diferenciální rovnice vedení tepla Slabé řešení Diskretizace metodou konečných prvků

Motivace Analýza transportních jevů thermal envelope design Podobné problémy Fyzikální jev Difúze Průhyb membrány Smyková deplanace průřezu Elektrostatika Transport vlhkosti Ustálené proudění Charakteristická proměnná koncentrace průhyb deplanační funkce potenciál relativní vlhkost hydraulická výška Hledaná funkce: Rozdělení teploty T(x) [K] Postup podobný úloze taženého-tlačeného prutu diferenciální rovnice + Okrajové podmínky slabé řešení) diskretizace

Diferenciální rovnice problému Základní veličiny Je třeba rozlišovat dvě různé veličiny: Teplo Q(x) (též tepelná energie) je část vnitřní energie, kterou těleso přijme nebo odevzdá při tepelné výměně druhému tělesu (vyjadřuje změnu stavu) [J] Teplota T(x), která vyjadřuje stav tělesa [K] Výměna tepelné energie závisí na teplotním rozdílu, ne na vlastní teplotě; gradient teploty(x) = lim x 0 T(x+ x) x = dt dx (x) Tepelný tok q [Wm 2 ] je definován jako Q(x) q n (x) = n(x), a určuje množství tepla Q(x), které 1 m 2 1 s projde jednotkovou plochou s normálou n. Studujeme-li ustálený stav, potom tepelný tok nezávisí na čase.

Diferenciální rovnice problému Bilance energie Při přenosu tepla protéká tepelný tok objemovým elementem. Bilance energie vyžaduje, aby změna tepelné energie qa, která je generována uvnitř kontrolního objemu byla rovna tepelné energii odevzdané, protože teplota a tedy i energie musí být konstantní v kontrolním objemu pro ustálený stav. Uvňitř tělesa (x Ω) vstup {}}{ q x (x)a(x) + zdroj {}}{ Q(x + x x ) xa(x + 2 2 ) = výstup {}}{ q x (x + x)a(x + x), kde Q označuje tzv. zdroj tepla (kladný, pokud je teplo generováno, záporný pokud je teplo odebíráno) [Jm 3 s 1 ].

Úpravou a limitním přechodem pro x 0: d dx (q x(x)a(x)) + Q(x)A(x) = 0, Pokud uvažujeme A(x) = konst., rovnice se zjednoduší na dq x (x) + Q(x) = 0 pro x Ω dx Konstitutivní rovnice (Fourierův zákon): pro x Ω q(x) = λ(x) dt dx (x); λ je součinitel tepelné vodivosti [Wm 1 K 1 ]. Předepsaná teplota na hranici - Dirichletovská okrajová podmínka: T(x) = T(x) pro x Γ T

Diferenciální rovnice problému Bilance energie na hranici q x (x)n(x) = q x (x) pro x Γ q Neumannova okrajová podmínka: q x (x) je dáno Smíšená okrajová podmínka (Convection/mixed/Robin/(Newton) BC) q x (x) = α(x) (T(x) T 0 (x)), pro x Γ qc kde α [Jm 2 K 1 s 1 ] je tzv. film coefficient a T 0 je teplota okolního prostředí

Diferenciální rovnice problému Bilance energie na hranici Radiace (Radiation/non-linear mixed/newton BC) q(x) = ε(x)σ(x) ( T 4 (x) T ) 4 pro x Γqr kde ε [-]: je povrchové vyzařování vytažené k černému tělesu (0 < ε < 1) σ = 5, 67 10 8 Wm 2 K 4 je Stefan-Boltzmannova konstanta T je teplota okolního prostředí

Diferenciální rovnice problému Rovnice vedení tepla Hledáme T(x) [dostatečně hladké] takové aby: pro x Ω: d ( dt λ(x) dx dx (x)) + Q(x) = 0, pro x Γ T : T(x) = T(x) pro x Γ q : λ(x) dt dx (x)n(x) = q x (x), kde pro x Γ qp : q x (x) je dáno pro x Γ qc : q x (x) = α(x) (T(x) T 0 (x)) pro x Γqr : q x (x) = ε(x)σ(x) ( ) T 4 (x) T 4 Nelineární okrajová podmínka Γ qr =

Slabé řešení Pro libovolnou váhovou funkci δt takovou, aby δt(x) = 0 pro x Γ T ( ) d ( dt δt(x) λ(x) Ω dx dx (x)) + Q(x) dx = 0 Integrací per-partes 0 = + Γ Ω δt(x)λ(x) dt (x)n(x) ds dx δt(x)q(x) dx Rozdělení integrálu na hranici Γ δt(x)λ(x) dt (x)n(x) ds = dx + Ω dδt dx dt (x)λ(x) (x) dx dx =0 {}}{ δt(x) λ(x) dt (x)n(x) ds Γ T dx δt(x) λ(x) dt Γ q dx (x)n(x) ds }{{} = q x

Slabé řešení Γ q δt(x)q x (x) ds = + δt(x)q x (x) ds Γ qp δt(x)α(x) (T(x) T 0 (x)) ds Γ qc Dohromady tedy máme Hledáme T(x) [dostatečně integrovatelné] takové aby: dδt dt (x)λ(x) (x) dx + δt(x)α(x)t(x) ds = Ω dx dx Γ qc δt(x)α(x)t 0 (x) ds δt(x)q x (x) ds + δt(x)q(x) dx Γ qc Γ qp Ω pro všechna δt taková, že δt = 0 na Γ T.

Diskretizace metodou konečných prvků Uvažujme dělení oblasti Ω na n konečných prvků Ω e Na každém prvku e, zavedeme lokální apoximaci T e (x) N e (x)r e, dte dx (x) Be (x)r e, δt e (x) N e (x)w e, dδte dx (x) Be (x)w e Dosazením do slabého řešení: Pro všechna w e taková, že w e = 0 na Γ T n e=1 w et( K e,ω { }}{ B e (x) T λ e (x)b e (x) dx r e + Ω e K e,γ {}}{ Γ e qc N e (x) T α e (x)n e (x) ds r e f e,γc f e,γp { }}{ {}}{ N e (x) T α(x)n e (x)t e 0 ds + N e (x) T N e (x)q e ds Γ e qc Γ e qp f e,ω { }}{ N e (x) T N e (x)q e ds ) = 0 Ω e

Diskretizace metodou konečných prvků Globální veličiny ( lokalizace) w T ( n e=1 K e r ) n f e = 0 e=1 Konečná podoba soustavy rovnic [ ] [ ] [ K(u, u) K(u, p) r(u) f(u) = K(p, u) K(p, p) r(p) f(p) ] [ 0 + R ] Řešení: K(u, u)r(u) = f(u) K(u, p)r(p) R = K(p, u)r(u) + K(p, p)r(p) f(p)

Please feel free to e-mail any suggestions, errors and typos to zemanj@cml.fsv.cvut.cz. Version 002 Verze 2: Česká verze, drobné doplňky [B. Patzák (borek.patzak@fsv.cvut.cz)]