2014 dxdy logo

Научный форум dxdy

Математика, Физика, Computer Science, Machine Learning, LaTeX, Механика и Техника, Химия,
Биология и Медицина, Экономика и Финансовая Математика, Гуманитарные науки




Начать новую тему Ответить на тему На страницу 1, 2  След.
 
 Время плавления льда
Сообщение20.06.2016, 13:19 


20/06/16
13
Здравствуйте

Ситуация у меня ну совсем грустная - не думал, что настолько туп, что не смогу решить задачу определения времени таяния льда

Есть брусок льда находящийся в коробке из термоизолированного картона. Изначально воздух в коробке и за её пределами 293 К (20 С). Лёд изначально при температуре 261 К (- 12 С). Пока стенки льда нагревались до 273 К (0 С) я все чудесно посчитал - численное решение дифференциальных уравнений в пакете Flow Simulation. А дальше оказалось, что это не совсем простая задача. Flow Simulation фазовые переходы не считает и я пробовал решать в COMSOL Multiphisics. Но в COMSOL я возможности решить именно эту задачу пока не вижу - там есть близкие, но не такая:

https://www.comsol.com/model/download/2 ... change.pdf
https://www.comsol.com/model/tin-melting-front-6234
https://www.comsol.com/model/continuous-casting-382
https://www.comsol.com/model/cooling-an ... etal-12701

В общем все упирается в задачу Стефана - приходится рассматривать "слойку" из трех фаз - лёд-вода-воздух. Мне необходимо посчитать во времени динамику температурного поля и время таяния льда в том числе.

Пробовал искать решение в ANSYS но пока тоже глухо:

http://cccp3d.ru/index.php?app=core&mod ... h_id=41814
https://www.google.com.ua/url?sa=t&rct= ... hNrJh4NjkA

Остановился на таком решении: взять время за которое лёд нагрелся от 261 К (-12 С) до 273 К (0 С) и количество тепла которое отдал лед за это время - эти данные у меня есть по расчетам в Flow Simulation, а потом для времени фазового перехода когда работает энтальпия сделать как советуют здесь: http://ivandriver.blogspot.com/2014/01/blog-post_2.html

Время за которое лед нагревается до температуры плавления в моем случае достаточно большое (более 2-х суток) поэтому среднее значение "теплопроводности" воздуха и коробки ИМХО можно взять за рабочее.

У кого какие мысли и кто какие материалы может посоветовать ?

 Профиль  
                  
 
 Re: Время плавления льда
Сообщение20.06.2016, 16:19 


01/04/08
2825
Попробуйте так.
Посчитайте коэффициент теплопередачи от наружного воздуха, через стенки картона, к поверхности льда, при стационарном перепаде температур в 20 градусов.
Будем считать, что этот поток тепла полностью пойдет только на плавление льда.

Также допустим, что форма куска льда и его наружная поверхность, воспринимающая тепловой поток, при плавлении остается неизменной.

Поделив этот поток на теплоту плавления - узнаем скорость плавления льда.
Таким образом, получим нижнюю границу по времени плавления.

Но фактически, вокруг льда будет образовываться слой воды, который будет уменьшать начальный коэффициент теплопередачи, что также можно попытаться учесть.

 Профиль  
                  
 
 Re: Время плавления льда
Сообщение20.06.2016, 16:47 


20/06/16
13
GraNiNi в сообщении #1133021 писал(а):
Попробуйте так.
Посчитайте коэффициент теплопередачи от наружного воздуха, через стенки картона, к поверхности льда, при стационарном перепаде температур в 20 градусов.
Будем считать, что этот поток тепла полностью пойдет только на плавление льда.

Поделив этот поток на теплоту плавления узнаем скорость плавления льда.


Спасибо. Ну мне кажется это то, что я и имел ввиду в конце своего спича которым открыл данную тему и то на что я собрался опираться с учетом последней моей ссылки выше на русскоязычный блог.

GraNiNi в сообщении #1133021 писал(а):
Также допустим, что форма куска льда и его наружная поверхность, воспринимающая тепловой поток, при плавлении остается неизменной.
Таким образом получим нижнюю границу по времени плавления.

Но фактически, вокруг льда будет образовываться слой воды, который будет уменьшать начальный коэффициент теплопередачи, что также можно попытаться учесть.


Ну да - ничего не остается делать как упрощать задачу. Но согласитесь это далеко от точного решения задачи Стефана. Честно говоря никогда не думал, что обыденная задача по таянию льда может быть столь сложной:

http://www.scienceforum.ru/2014/482/2505

Цитата:
Аналитический подход при решении краевых задач теплообмена в системах со свободными границами относится к числу труднейших проблем в современной аналитической теории математической физики. Вследствие зависимости положения характеристического раздела области от времени к этому классу задач неприменимы классические методы дифференциальных уравнений в частных производных, так как оставаясь в рамках этих методов, не удается согласовать решение уравнения теплопроводности с движением границы фазового перехода.

Имеется целый ряд аналитических и численных методов решения указанных задач. Но формулы распределения температурных полей, полученные этими методами, носят весьма приближенный характер, или же, как это наиболее типично для задач подобного рода, дают неопределенность решения в начальный момент времени.

 Профиль  
                  
 
 Re: Время плавления льда
Сообщение20.06.2016, 17:11 


01/04/08
2825
Какой получился расчетный коэффициент теплопередачи?

 Профиль  
                  
 
 Re: Время плавления льда
Сообщение20.06.2016, 17:20 


20/06/16
13
GraNiNi в сообщении #1133027 писал(а):
Какой получился расчетный коэффициент теплопередачи?


Я ещё не считал - у меня на домашнем компе Flow Simulation не установлен - завтра на работе посчитаю. Однако я нашел обнадеживающие фрагменты вот в этом опусе:

http://www.scienceforum.ru/2014/482/2505

Цитата:
Ко времени 1200 с (кривая 20) стержень полностью находится
в жидком состоянии, температура стремится к 80oС .


В общем-то я намедни пытался считать по такой схеме, но меня смутили некоторые временные характеристики - я брал температуру воды 0,1 С а не как в примере по ссылке 80 С и у меня температура в начале стержня длиной 5 см вырастала весьма быстро (за полчаса) с - 5 С до температуры таяния. Что-то это у меня вызывает сомнение. Может потому что задачу я брал из руководства COMSOL одномерную. Если попробовать трехмерную может дольше плавиться будет

 Профиль  
                  
 
 Re: Время плавления льда
Сообщение20.06.2016, 18:23 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
За время плавления, вода будет или стекать со льда, или лёд будет всплывать в воде, или вода будет просачиваться в окружающий картон - в общем, "слоя воды" не будет.

 Профиль  
                  
 
 Re: Время плавления льда
Сообщение20.06.2016, 18:43 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


04/09/14
5293
ФТИ им. Иоффе СПб
Munin в сообщении #1133042 писал(а):
"слоя воды" не будет.
Угу. А еще будет меняться форма ("срезаться" углы). На Comsol'e это, наверно, моделируется, но готового, скорее всего, ничего нет.

 Профиль  
                  
 
 Re: Время плавления льда
Сообщение20.06.2016, 21:05 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
Может, можно по шагам? Оценить тепловой поток, из него - изменение размера и формы, потом на следующем шаге снова...

 Профиль  
                  
 
 Re: Время плавления льда
Сообщение20.06.2016, 21:21 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


04/09/14
5293
ФТИ им. Иоффе СПб
Видимо, только так и можно, но при этом надо на каждом шаге пересчитывать границу, а это - некоторый геморрой.

 Профиль  
                  
 
 Re: Время плавления льда
Сообщение20.06.2016, 21:42 


20/06/16
13
Ну вот кое-что в ANSYS наклевывается:

http://www.engr.uconn.edu/~barbertj/CFD ... /tut22.pdf

Вот здесь глава 25 Modeling solidification and melting

http://users.ugent.be/~mvbelleg/flug-12-0.pdf

 Профиль  
                  
 
 Re: Время плавления льда
Сообщение21.06.2016, 17:42 


01/04/08
2825
Entomo в сообщении #1133029 писал(а):
Однако я нашел обнадеживающие фрагменты вот в этом опусе:
http://www.scienceforum.ru/2014/482/2505

К этой студенческой работе нет особого доверия.

На рис. 12 графики №2 и №3 - распределение температуры в стержне через 15 и 30 сек.
На графике 2 почти весь стержень имеет температуру -20°С, а на графике 3 - уже весь стержень прогрет до 0°С.
Очевидно, они считают, что раз лед начал плавиться с одного конца, то весь стержень должен быть прогрет до 0°С.
Но в действительности это не так - самый удаленный участок стержня не успеет прогреться и будет иметь отрицательную температуру, несмотря на то что с другого конца он уже начнет плавиться.

Время прогрева ограничено 180 сек, так как далее будет только жидкая вода, что уже не интересно, хоть в студенческой работе на это отведено целых 14 совершенно бесполезных графиков.

Вот здесь моделирование этой задачи в ELCUT - распределение температуры в стержне через 30 сек после начала прогрева.

Изображение
Как видно, ко времени, когда уже почти половина стержня прогрелась до 0°С (расплавилась), на другом его конце температура остается отрицательной (-6°С).

А здесь - изменение температуры во времени на холодном (дальнем) конце стержня и в его середине (верхний график).

Изображение

 Профиль  
                  
 
 Re: Время плавления льда
Сообщение21.06.2016, 18:00 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
Так что, ELCUT умеет решать задачу Стефана?

 Профиль  
                  
 
 Re: Время плавления льда
Сообщение21.06.2016, 18:11 


01/04/08
2825
Munin в сообщении #1133192 писал(а):
Так что, ELCUT умеет решать задачу Стефана?

Нет, напрямую фазовые переходы не решает, но скачкообразные изменения физических параметров - теплопроводности, теплоемкости - от изменения температуры в ходе прогрева - можно завести.
Можно также ввести параметр тепловыделения или теплопоглощения в зависимости от достижения определенной темпераруры (интервала температур).

 Профиль  
                  
 
 Re: Время плавления льда
Сообщение21.06.2016, 18:12 


20/06/16
13
GraNiNi в сообщении #1133188 писал(а):
...
К этой студенческой работе нет особого доверия.

...Очевидно, они считают... хоть в студенческой работе ...


Я никоим образом не умаляю доли самостоятельной работы студента, но... если Вы откроете эту задачу на сайте COMSOL (а ссылку не эту же задачу на сайте COMSOL я дал в первом посте этой темы), то увидите... в общем увидите то, что Вы там увидите... не больше и не меньше. А вопрос Мунина об ELCUT и задаче Стефана считаю очень вовремя заданным... присоединяюсь к вопросу

-- 21.06.2016, 19:16 --

GraNiNi в сообщении #1133195 писал(а):
Нет, напрямую фазовые переходы не решает, но скачкообразные изменения физических параметров - теплопроводности, теплоемкости - от изменения температуры в ходе прогрева - можно завести.
Можно также ввести параметр тепловыделения или теплопоглощения в зависимости от достижения определенной темпераруры (интервала температур).


Пусть Мунин как грамотный физик меня поправит, но ИМХО "скачкообразные изменения теплоёмкости" в простонародье именуются фазовыми переходами II рода. Ну а меня интересует фазовый переход I рода. Какая мне польза от ELCUT если она плавление не решает ?

 Профиль  
                  
 
 Re: Время плавления льда
Сообщение21.06.2016, 18:23 


01/04/08
2825
Entomo в сообщении #1133196 писал(а):
если Вы откроете эту задачу на сайте COMSOL (а ссылку не эту же задачу на сайте COMSOL я дал в первом посте этой темы), то увидите.

Да, здесь, как говорят - две большие разницы - все как и должно быть.

Приношу свои извинения за скептицизм, непонятно только, чем обусловлены ляпы в русскоязычном варианте.

 Профиль  
                  
Показать сообщения за:  Поле сортировки  
Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 17 ]  На страницу 1, 2  След.

Модераторы: photon, whiterussian, profrotter, Jnrty, Aer, Парджеттер, Eule_A, Супермодераторы



Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей


Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете добавлять вложения

Найти:
Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group