40
3. НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
Перенос теплоты в условиях, когда температура системы изменяется не
только от точки к точке, но и локально с течением времени, называется неста-
ционарным. В ходе этих тепловых процессов всегда происходят локальные из-
менения внутренней энергии или энтальпии вещества. Нестационарные процессы
связаны с прогревом или охлаждением материала и элементов оборудования при
пуске, остановке или изм
енении технологического режима процесса, например,
при производстве целлюлозы, стекла, обжиге кирпича, плавлении металла и т.д.
Различают две основные группы нестационарных процессов теплопровод-
ности, которые наиболее широко исследованы аналитически:
- система стремится к тепловому равновесию при прогреве или охлаждении тел,
помещенных в среду с заданным тепловым состоянием
;
- температура тела претерпевает периодические изменения в периодически дей-
ствующих подогревателях (регенераторах).
При аналитическом описании процесса теплопроводности используется
дифференциальное уравнение теплопроводности с соответствующими началь-
ными и граничными условиями.
В учебной литературе до последнего времени изучение этих вопросов бази-
руется на использовании метода Фурье (метода частных решений), который при-
водит к необходимости
громоздких операций по определению собственных чи-
сел и коэффициентов соответствующих рядов. При этом нахождение собствен-
ных чисел часто связано с графическим решением алгебраических уравнений,
которое в настоящее время фактически не используется на практике.
Поэтому в данном разделе будут использоваться методы подобия и размер-
ностей для определения общей структуры решения и иллюстрации, характери-
зующие форму решений. При этом мы проделаем несложные преобразования,
целью которых будет определение форм
ы частных решений, выражающих зави-
симость от времени. Запишем уравнение теплопроводности в общем виде:
θ
τ
2
∇⋅=
∂
a
, (3.1)
где в соответствии с идеей метода Фурье представим частное решение уравне-
ния (3.1) в виде произведения
)()( rf
, где φ(r) функция координат, а f(
τ
) –
функция времени. Подставляя его в уравнение (3.1), получим последовательно
()
[]
() () ()
;
2
rfar
d
fd
ϕτϕ
τ
∇⋅=
()
)
]
()
()
r
rd
fd
fa
ϕ
ϕτ
τ
2
11
∇=
⋅
.
Левая часть уравнения зависит от
τ
, правая – только от r. Две функции от
двух разных и не зависящих друг от друга аргументов могут быть равны при лю-
бых значениях последних только в том случае, если они постоянны. Величина
этих аргументов отрицательна, так как тепловые процессы стремятся к равнове-