numeryczna wizualizacja linii przepływu ciepła i gęstości strumienia
Transkrypt
numeryczna wizualizacja linii przepływu ciepła i gęstości strumienia
MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 51, ISSN 1896-771X NUMERYCZNA WIZUALIZACJA LINII PRZEPŁYWU CIEPŁA I GĘSTOŚCI STRUMIENIA CIEPŁA W PŁASKIM PRZEWODZENIU CIEPŁA METODĄ ELEMENTÓW BRZEGOWYCH Tomasz Janusz Teleszewski1a 1 a Katedra Ciepłownictwa, Politechnika Białostocka [email protected] Streszczenie W publikacji przedstawiono algorytm metody elementów brzegowych (MEB) wyznaczania linii przepływu ciepła w płaskim przewodzeniu ciepła metodą elementów brzegowych. Prezentowany algorytm stanowi alternatywę wobec najczęściej stosowanych obszarowych metod numerycznych, takich jak metoda różnic skończonych, metoda objętości skończonych, metoda elementów skończonych. W metodach tych stosowane są pracochłonne i skomplikowane siatki wewnątrz obszaru, natomiast metoda elementów brzegowych wymaga jedynie dyskretyzacji brzegu. Weryfikacja algorytmu została wykonana na podstawie znanych rozwiązań teoretycznych. W pracy przedstawiono przykład obliczeniowy przepływu ciepła przez dwa przewody centralnego ogrzewania obudowane wspólną izolacją cieplną. W celu wykonania symulacji komputerowych został napisany autorski program obliczeniowy. Słowa kluczowe: przewodzenie ciepła, strumień ciepła, linie przepływu ciepła, metoda elementów brzegowych NUMERICAL VISUALIZATION OF HEATLINE AND HEAT FLUX DENSITY IN TWO-DIMENSIONAL STEADY STATE THERMAL CONDUCTION USING BOUNDARY ELEMENT METHOD Summary The paper presents the numerical application of boundary element method (BEM) to calculate the heatline and heat flux density in two-dimensional steady state thermal conduction. The efficiency and the credibility of proposed algorithm were verified by numerical tests and the BEM solution is compared with theoretical results of steady state conduction in a plane wall with no heat generation and constant thermal conductivity. Numerical example is presented to illustrate steady state conduction in thermal isolation with a two pipe system of central heating. The BEM algorithm is an alternative to mesh method: Finite Difference Method, Finite Element Method or Finite Volume Method. The computer program was written in Fortran programming languages. Keywords: heat conduction, heat flux, heatlines, boundary element method 1. WSTĘP W wielu symulacjach cieplnych wykorzystuje się wizualizację linii przepływu ciepła oraz symulacje strumieni ciepła. Linie przepływu ciepła są ortogonalne do izoterm (rys.1). W przypadku adiabatycznego brzegu linie przepływu ciepła są do niego równoległe, natomiast w przypadku brzegu o jednakowej temperaturze są do 116 Tomasz Janusz Teleszewski r q = −gradT niego prostopadłe. Z rozkładu gęstości strumienia ciepła w obszarze można odczytać intensywność przepływu ciepła. Wzrost wartości gęstości strumienia ciepła wskazuje na wzrost intensywności przepływu ciepła podobnie jak zagęszczenie linii przepływu ciepła. Znajomość składowych strumienia ciepła również pozwala w sposób numeryczny wyznaczyć linie przepływu ciepła np. metodą Rungego-Kutty [1]. Linie przepływu ciepła mogą być wyznaczane w sposób graficzny przy zastosowaniu współczynników kształtu [2,3,4,5] jak i numeryczny. Przykładowe rozwiązania linii przepływu ciepła w zagadnieniach cieplnych opartych na metodach siatkowych znajdują się w pracach: metodzie różnic skończonych [6], metodzie elementów skończonych [7,8,9,10], metodzie objętości skończonych [11] i metodzie wielosiatkowej [12]. Wadą metod obszarowych jest budowa pracochłonnych siatek. W prezentowanej metodzie elementów brzegowych dyskretyzacji wymaga jedynie brzeg obszaru. T1 T2 Ξ7 (2) q y = −λ ∂T ∂y (3) − χ (p)T (p) + Ξ2 Ξ1 T4 T1 < T2 < T3 < T4 ∫ T (q ) E (p, q) dL q (q ) K (p, q )dLq + ∫ =− = T ( LT ) q% (q) K (p, q) dLT − ( LT ) ∫ T% (q) E (p, q)dL q , (8) ( Lq ) p, q ∈ L gdzie dla brzegu gładkiego χ (p) =1/2 oraz: K (p, q) = E (p, q ) = Wypadkowa gęstości strumienia ciepła jest wyznaczana z zależności: 1 2πλ 1 ln r pq 1 ( xp − xq )n x + ( yp − yq ) n y 2π rpq2 (9) (10) rpq = ( xp − xq ) 2 + ( yp − yq ) 2 (4) Po wyznaczeniu niewiadomych T(p) na brzegu LT i q(p) na brzegu Lq, temperaturę w dowolnym punkcie (p ∈ A) rozpatrywanego obszaru (A) wyznacza się ze związku całkowego: W celu wyznaczenia linii przepływu ciepła Ξ wprowadzono zależność ortogonalną do izotach [13,14]: (5) T (p) = ∫ T (q) E (p, q) dL + ∫ q(q) K (p, q) dL (L) (6) ( L) (q) ∈ ( L) , (p) ∈ (A) Wobec czego równanie linii przepływu ciepła opisane jest zależnością: d Ξ = q x dy − q y dx ∫ ( Lq ) gdzie: λ jest współczynnikiem przewodzenia ciepła. ∂Ξ ∂T = −λ ∂x ∂y T3 (q∈ LT) (rys. 2) [15,16]: ∂T ∂x − Ξ3 Zagadnienie brzegowe dla równania Laplace’a (1) formułuje się w postaci przyjętego warunku brzegowego Dirichleta i Neumanna zakładającego znane wartości temperatury T% (q) na części brzegu Lq (q∈ Lq) i znane wartości strumienia ciepła q% (q ) na części brzegu LT (1) qx = − λ ∂Ξ ∂T = −λ ∂y ∂x Ξ4 2. BRZEGOWE RÓWNANIA CAŁKOWE OPISUJĄCE PŁASKIE USTALONE PRZEWODZENIE CIEPŁA W OŚRODKU JEDNORODNYM Składowe strumienia ciepła qx i qy zdefiniowane są zgodnie z prawem Fouriera [5]: q = qx2 + q y2 Ξ5 Rys. 1. Linie przepływu ciepła i izotachy w przewodzeniu ciepła Pole temperatury w płaskim ustalonym przepływie ciepła, w którym dominującym mechanizmem jest przewodzenie ciepła, jest opisane równaniem Laplace’a względem temperatury T [5]: ∂ 2T ∂ 2T + =0 ∂x 2 ∂y 2 Ξ6 (7) Wszystkie obliczenia zostały wykonane w autorskim programie obliczeniowym HEAT_CONDUCTION_2D opartym na metodzie elementów brzegowych napisanym w języku Fortran. Funkcje podcałkowe linii przepływu ciepła i gęstości strumienia ciepła zostały wyznaczone zgodnie z zależnościami (2-7). 117 (11) NUMERYCZNA WIZUALIZACJA LINII PRZEPŁYWU CIEPŁA I GĘSTOŚCI STRUMIENIA… Y S (p, q ) = ny q nq 1 ( xp − xq ) n y − ( yp − yq )nx 2π rpq2 T% (q) nx gdzie: C jest to stała całkowania. L = LT ∪ L q dL rpq (A ) q% (q) (17) rpq = ( xp − xq ) 2 + ( yp − yq ) 2 Na rys. 3 przedstawiono schemat blokowy autorskiego programu obliczeniowego HEAT_CONDUCTION_2D napisanego w języku fortran. Po zastąpieniu linii brzegowej (L) układem linii cząstkowych, przy założeniu, że gęstości strumienia ciepła i temperatur na każdej linii są stałe, równania całkowe (8) można sprowadzić do układu algebraicznych równań liniowych. Po wyznaczeniu niewiadomych temperatur i gęstości strumieni ciepła na brzegu L, pole temperatury, gęstość strumienia ciepła, linie przepływu ciepła wyznacza się całkując numerycznie funkcje podcałkowe całki (9-10, 13-14, 16-17). Lq LT p X Rys. 2. Szkic obrazujący zagadnienia brzegowe w obszarze płaskim Wobec zależności (2-3) strumienie ciepła w kierunku x i y w przyjętym układzie współrzędnych w punktach (p) rozpatrywanego pola temperatury w obszarze (A) ograniczonym brzegiem (L) otrzymuje się, różniczkując funkcje podcałkowe (9-10) w wyrażeniu (11) odpowiednio względem x i y: qx (p ) = −λ ∂T (p) ∂E (p, q) ∂K (p, q) = − ∫ T (q ) dL − ∫ q (q ) dL ∂xp ∂ x ∂xp p (L) (L) q y (p) = −λ ∂T (p) ∂E (p, q) ∂K (p, q ) dL − ∫ q (q ) dL = − ∫ T (q) y ∂yp ∂ ∂yp p ( L) (L) Program HEAT_CONDUCTION_2D (HC2D) (12) Czytanie danych: λ, dyskretyzacja brzegu (L), warunek brzegowy: T% (q ) , q% (q) . gdzie: ∂K (p, q) 1 xp − xq =− ∂xp rpq2 2π Generowanie macierzy współczynników: ( 2 2 ∂E (p, q) λ ( ( yp − yq ) − ( xp − xq ) ) nx − 2( xp − xq )( yp − yq )n y = ∂xp 2π rpq4 (13) 2 2 ∫ T (q)W (p, q) dL + ∫ q(q) S (p, q) dL + C ( L) (q) ∈ ( L ) , (p) ∈ (A) ) ∫ q%(q)K(p,q)dL − ∫ T%(q)E(p, q)dL T q ( Lq ) [ A][ X ] = [ B] (14) Wektor rozwiązań: [ X ] = T (q), q(q) Wyznaczenie pola temperatury T, składowych strumienia ciepła qx, qy, linii przepływu ciepła Ξ w obszarze A. Rys. 3. Schemat blokowy programu obliczeniowego HEAT_CONDUCTION_2D 3. WERYFIKACJA ALGORYTMU W celu weryfikacji algorytmu przyjęto jednokierunkowe przenikanie ciepła w płaskiej ścianie jednowarstwowej o grubości 0.42m, zbudowanej z bloczków z betonu komórkowego o współczynniku przewodzenia ciepła 0.105W/(mK). Warunki brzegowe zagadnienia testowego zostały przedstawione na rys. 4. (15) gdzie: yp − yq 1 arctg xp − xq 2πλ lub T (q) E(p, q)dLT Rozwiązanie układu algebraicznych równań liniowych: Po scałkowaniu funkcji podcałkowych (13-14) według definicji (5-6) i uwzględnieniu temperatury T oraz gęstości strumienia ciepła q na brzegu L wyznaczono zależność opisującą linie przepływu ciepła: (L) ∫ ( LT ) Generowanie wektora warunku brzegowego: Znajomość składowych strumienia ciepła qx i qy pozwala wyznaczyć linie przepływu ciepła metodą RungegoKutty [1]. W pracy opracowano algorytm wyznaczania linii przepływu ciepła, przeliczając funkcje podcałkowe (13-14) zgodnie z definicją (5-6). W (p, q ) = − q(q)K (p, q)dLq + (Lq ) ( LT ) ∂E (p, q) λ ( ( xp − xq ) − ( yp − yq ) ) n y − 2( xp − xq )( yp − yq )nx = ∂xp 2π rpq4 Ξ (p) = ∫ [ A] = [B] = − ∂K (p, q) 1 yp − yq =− ∂yp 2π rpq2 ( ) (16) x − xq W (p, q ) = + arctg p yp − yq 2πλ 1 q = 0 W / m2 118 Tomasz Janusz Teleszewski padku gęstości strumienia ciepła maksymalny błąd MEB nie przekracza 0,04% dla brzegu zbudowanego z 100 elementów i 0,01% dla brzegu złożonego z 200 elementów. Y X Tz = −20 C o Tab. 1. Linie przepływu ciepła w przewodzeniu ciepła przez ściankę płaską- błąd rozwiązania MEB Współrzędne węzłów λ = 0.105 W / ( mK ) y = 0.00 Tw = +20 Co q = 0 W / m2 L = 0.42 m Rys. 4. Warunki brzegowe w jednowarstwowej przegrodzie płaskiej Pole temperatury w przekroju ściany wyznaczono ze wzoru analitycznego [3]: TT ( x ) = Tw + (Tz − Tw ) x L (19) Linie przepływu ciepła zostały wyznaczone poprzez scałkowanie zależności (18) zgodnie (5): (Tz − Tw ) y + C L (20) Do obliczeń przyjęto zerową linię prądu na wysokości y=0 (C=0). Błąd rozwiązania MEB gęstości strumienia ciepła i linii przepływu ciepła wyznaczono z następujących zależności: δ qMEB = qTEO − qMEB 100% qTEO (21) δΞ MEB = Ξ TEO − Ξ MEB 100% Ξ TEO (22) Błąd met. teoretyczne num. MEB MEB 100 el. xw m 0,210 0,210 0,210 0,210 0,210 0,210 yw m 0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 ΞTEO K 0,00000 19,04762 38,09524 57,14286 76,19048 95,23810 0,210 0,210 0,210 0,210 0,210 0,210 0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 0,00000 19,04762 38,09524 57,14286 76,19048 95,23810 Współrzędne węzłów Gęstość strumienia ciepła została wyznaczona ze wzoru: Ξ (x) = − Rozwiązanie ΞMEB ΞMEB K % 0,00000 19,04503 0,01360 38,09126 0,01045 57,13729 0,00975 76,18291 0,00993 95,23205 0,00635 200 el. 0,00000 19,04655 0,00561 38,09311 0,00558 57,13972 0,00549 76,18649 0,00524 95,23397 0,00433 Tab. 2. Gęstość strumienia ciepła w przewodzeniu ciepła przez przez ściankę płaską - błąd rozwiązania MEB (18) gdzie: Tw, Tz są temperaturą na powierzchni ściany, L oznacza grubość ściany. dT (T − Tw ) = −λ z qT ( x ) = −λ dx L Rozwiązanie Rozwiązanie Rozwiązanie Błąd met. teoretyczne num. MEB MEB 100 el. xw m 0,210 0,210 0,210 0,210 0,210 0,210 yw m 0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 qTEO W/m2 10,00000 10,00000 10,00000 10,00000 10,00000 10,00000 0,210 0,210 0,210 0,210 0,210 0,210 0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 10,00000 10,00000 10,00000 10,00000 10,00000 10,00000 qMEB δqMEB W/m2 % 10,00174 9,99845 0,01553 9,99626 0,03737 10,00044 0,00444 10,00197 0,01972 10,00074 0,00744 200 el. 9,99944 9,99944 0,00559 9,99945 0,00547 9,99949 0,00507 9,99964 0,00355 10,00044 0,00441 Zagęszczenie podziału linii brzegowej konturu przekroju przewodu prostoliniowego powoduje zmniejszenie błędu metody elementów brzegowych. Graficzne rezultaty linii przepływu ciepła porównania MEB z rozwiązaniem teoretycznym (20) w wybranych punktach przekroju x=0,21m, zostały przedstawione na rys. 5. gdzie indeksami TEO oznaczono wielkości teoretyczne, natomiast indeksem MEB wielkości wyznaczone metodą elementów brzegowych. W tabeli 1 zestawiono błąd linii przepływu ciepła metody elementów brzegowych dla brzegu składającego się z 100 i 200 liniowych elementów w punktach przekroju przechodzących przez środek ścianki (y=0,21 m), natomiast w tabeli 2 przedstawiono błąd metody MEB dla gęstości strumienia ciepła. Maksymalny błąd wyznaczania linii przepływu ciepła metodą MEB dla brzegu składającego się z 100 liniowych elementów nie przekracza 0.02%, natomiast dla brzegu zbudowanego z 200 elementów błąd MEB nie przekracza 0.01%. W przy- Rys. 5. Porównanie rezultatów obliczeń MEB linii przepływu ciepła z rozwiązaniem teoretycznym (20) (x=0.21m) 4. PRZYKŁADY OBLICZENIOWE 119 NUMERYCZNA WIZUALIZACJA LINII PRZEPŁYWU CIEPŁA I GĘSTOŚCI STRUMIENIA… Poniżej przedstawiono przykład obliczeniowy przewodzenia ciepła w izolacji wykonanej z wełny mineralnej ( λ =0.042 W/(mK)) dwóch przewodów instalacji centralnego ogrzewania. Do symulacji przyjęto rzeczywiste temperatury ścianek: TI=20 oC na izolacji, Tz=55 oC na ściance przewodu zasilającego oraz Tp=50 oC na ściance przewodu powrotnego. Różnica temperatur w instalacji centralnego ogrzewania wyniosła ∆T =5 oC. Wszystkie obliczenia wykonano metodą elementów brzegowych. Na rys. 6 przedstawiono warunki brzegowe i wymiary dla przykładu obliczeniowego: a=0.12m, b=0.08m, e=0.0187m, φ1=φ2=0.0213m (DN15). Rys. 8. Składowa qx strumienia ciepła w przekroju poprzecznym izolacji dwóch przewodów centralnego ogrzewania (∆T=5 oC) – rozwiązanie numeryczne MEB Na rys. 7 wykreślono pole temperatury w przekroju porzecznym wspólnej izolacji dwóch przewodów instalacji centralnego ogrzewania. Na rysunkach 8-9 przedstawiono składowe gęstości strumienia ciepła qx i qy, natomiast na rys. 10 zaprezentowano wypadkową strumienia ciepła q w przekroju porzecznym wspólnej izolacji dwóch przewodów instalacji centralnego ogrzewania. Rys. 11 przedstawia wykreślone linie przepływu ciepła wraz z zaznaczonym zwrotem przepływu ciepła w analizowanym przykładzie obliczeniowym. TI TZ Rys. 9. Składowa qy strumienia ciepła w przekroju poprzecznym izolacji dwóch przewodów centralnego ogrzewania (∆T=5 oC) – rozwiązanie numeryczne MEB TP e a Rys. 6. Warunki brzegowe w przekroju poprzecznym izolacji dwóch przewodów centralnego ogrzewania. Rys. 10. Wypadkowa gęstości strumienia ciepła w przekroju poprzecznym izolacji dwóch przewodów centralnego ogrzewania (∆T=5 oC) – rozwiązanie numeryczne MEB Rys. 7. Pole temperatury w przekroju poprzecznym izolacji dwóch przewodów centralnego ogrzewania (∆T=5 oC) – rozwiązanie numeryczne MEB 120 Tomasz Janusz Teleszewski Rys. 11. Linie przepływu ciepła w przekroju poprzecznym izolacji dwóch przewodów centralnego ogrzewania (∆T=5 oC) – rozwiązanie numeryczne MEB Rys. 14. Linie przepływu ciepła w przekroju poprzecznym izolacji dwóch przewodów centralnego ogrzewania (∆T=20 oC) – rozwiązanie numeryczne MEB W drugim przykładzie obliczeniowym wykonano symulację przepływu ciepła, w której założono większą temperaturę zasilania Tz=70 oC, w wyniku czego różnica temperatur między zasilaniem i powrotem, wyniosła ∆T =20 oC. Na rysunkach 12-14 wykreślono rezultaty obliczeń: pole temperatury, wypadkową gęstości strumienia ciepła i linie przepływu ciepła. W drugim przykładzie obliczeniowym wymiana ciepła odbywa się również miedzy przewodem zasilania i przewodem powrotnym instalacji centralnego ogrzewania. 5. WNIOSKI Metoda elementów brzegowych jest obecnie intensywnie rozwijana i trwają prace nad jej udoskonalaniem. Przedstawiony algorytm metody elementów brzegowych wyznaczania linii przepływu ciepła i gęstości ciepła w przewodzeniu ciepła jest uzupełnieniem metody MEB i pozwala w sposób efektywny wyznaczać wymienione wielkości. Podstawową zaletą prezentowanego algorytmu jest eliminacja siatek wewnątrz obszaru, które są nieodłącznym elementem klasycznych metod obszarowych takich jak metoda różnic skończonych, metoda elementów skończonych czy metoda objętości skończonych. Wyprowadzony w pracy algorytm również charakteryzuje się małym błędem obliczeniowym. W pracy przedstawiono przykład obliczeniowy symulacji przepływu ciepła w wspólnej izolacji dwóch przewodów instalacji centralnego ogrzewania, w którym wzrost różnicy temperatury między przewodem zasilającym i powrotnym powoduje wymianę ciepła między tymi przewodami. Rys. 12. Pole temperatury w przekroju poprzecznym izolacji dwóch przewodów centralnego ogrzewania (∆T=20 oC) – rozwiązanie numeryczne MEB Rys. 13. Wypadkowa gęstości strumienia ciepła w przekroju poprzecznym izolacji dwóch przewodów centralnego ogrzewania (∆T=20 oC) – rozwiązanie numeryczne MEB Opracowanie zrealizowano w ramach pracy statutowej Politechniki Białostockiej. 121 NUMERYCZNA WIZUALIZACJA LINII PRZEPŁYWU CIEPŁA I GĘSTOŚCI STRUMIENIA… Literatura 1. 2. Press W.H., Flannery B.P., Teukolsky S.A., Vetterling W.T.: Numerical recipes in FORTRAN: example book The Art of Scientific Computing, Cambridge University Press, 1992. Taler J., Duda P.: Solving direct and inverse heat conduction problems. Berlin: Springer Verlag, 2006. 3. Rao Y.V.: Heat transfer. India: Universities Press Lim., 2001. 4. Nag P.K.: Heat & mass transfer.2th ed. New Delhi: Tata McGraw-Hill Publ. Comp., 2007. 5. Holman J.: Heat transfer. 10th ed. Tokyo: McGraw-Hill, 2009. 6. Hooman K., Gurgenci H., Dincer I.: Heatline and energy-flux-vector visualization of natural convection in a porous cavity occupied by a fluid with temperature-dependent viscosity. “Journal of Porous Media” 2010, Vol. 12, Iss. 3, p. 265 – 275. 7. Natarajan E., Basak T., Roy S.: Heatline visualization of natural convection flows within trapezoidal enclosures. In: Proc. of the 5th IASME / WSEAS International Conference on Fluid Mechanics and Aerodynamics, August 25-27, 2007, Athens, Greece, World Scientific and Engineering Academy and Society, 2007, p.55 - 66. 8. Basak T., Chamkha A.J.: Heatline analysis on natural convection for nanofluids confined within square cavities with various thermal boundary conditions."International Journal of Heat and Mass Transfer" 2012, Vol.55, p.5526 - 5543. 9. Singh A.K., Roy S., Basak T.: A comprehensive Bejan’s heatline approach for natural convection heat transfer within inclined square cavities. ASME Heat Transfer Summer Conference, Rio Grande 2012, p. 1067 - 1076. 10. Kaluri R.S, Basak T.: Numerical visualization of heat flow and thermal mixing in various differentially heated square cavities using Bejan’s heatlines. ASME/JSME 8th Thermal Engineering Joint Conference Hawaii 2011, p. T10051-T10051-10. 11. Speetjens M.F.M., Steenhoven A.A. van: Visualisation of heat transfer in unsteady laminar flows. “Computational Thermal Sciences” 2011, Vol. 3(1), p.31 - 47. 12. Mahmud S., Fraser R.A.: Visualizing energy flows through energy streamlines and pathlines. "International Journal of Heat and Mass Transfer" 2007, Vol. 50(19-20), p.3990 - 4002. 13. Bejan A.: Convection heat transfer. 4th ed. New Jersey : John Wiley 2013. 14. Costa V.A.F.: Bejan’s heatlines and masslines for convection visualization and analysis. “Applied Mechanics Reviews” 2006, Vol. 59, Iss. 3, p. 126 – 145. 15. Majchrzak E.: Metoda elementów brzegowych w przepływie ciepła. Częstochowa: Wyd. Pol. Częstochowskiej, 2001. 16. Brebbia C.A., Telles J.F.C., Wrobel L.C.: Boundary element techniques: theory and applications in engineering. New York: Springer-Verlag, 1984. 122