Читайте также:
|
|
3.2.3. Модели стационарных полей
Существуют два способа построения электрических полей физических полей в элементах технических устройств. Модели могут быть построены из сплошных проводящих сред. В этом случае модельное поле характеризуется непрерывна распределением параметров, в частности, электрического потенциала. Можно построить также сеточные электрические модели, основанные на конечно-разностной аппроксимации непрерывного поля. В этом случае модельное поле задается дискретно в узлах сетки.
При использовании сплошных проводящих сред модель исследуемого объекта выполняется из сплошного проводящего материала. В качестве такого материала могут быть использованы любые среды, слабо проводящие электрический ток.
Для исследования полей в элементах конструкций машин могут быть созданы полноразмерные модели. Например, для изучения температурного поля в лопатке газовой турбины можно изготовить полноразмерную модель лопатки, задать на границах этой модели необходимые граничные условия, а затем измерить распределение потенциала в модели. Однако такие модели очень сложны и, главное, сугубо индивидуальны.
К счастью, большинство реальных полей обладает плоскостной или осевой симметрией, позволяющей ограничиться изучением поля в одной характерной плоскости. Так, если пренебречь концевыми эффектами, можно считать, что распределение температур идентично в ряде последовательных сечений лопатки турбины. Точно так же идентичны в этих сечениях и поля скоростей обтекающего лопатку газа.
В подобных случаях достаточно изучить рассматриваемое поле или в тонком плоском (рис. 3.3, а), или в некотором клиновом слое (рис. 3.3, б), вырезанном плоскостями симметрии / и П. Возможность использования свойств симметрии и тонких слоев упрощает построение моделей, делает их универсальными. В электрическом поле плоскости симметрии могут быть выполнены из изолирующих материалов, на границе которых выполняется условие дφ/дп = 0.
При этом имитация клинового слоя требует увеличения проводимости проводящего слоя пропорционально радиусу модели. Такой эффект можно получить или в плоском слое за счет соответствующего увеличения концентрации проводящего наполнителя, или за счет изменения толщины проводящего слоя из однородного материала.
Для задания граничных условий при моделировании в сплошных проводящих средах используются электроды и изоляторы. Так, для задания на некотором участке границы модели
постоянного потенциала (ф|г = const) необходимо установить, этом участке металлический электрод и подать на него соответствующее напряжение. В моделях из электропроводной бумаги такой электрод выполняется в виде металлической шины (рис. 3.4, а). В электролитической ванне металлический электрод устанавливается непосредственно на дно ванны (рис. 3.4, б)
Для задания некоторого распределения потенциала может быть использована ступенчатая аппроксимация этого распределения с помощью цепочки электродов (рис. 3.4, в) или установленая на границе специальная шина с заданным изменением потенциала (рис. 3.4, г). Точно так же можно задать граничные условия 2-го рода, только вместо потенциалов к границе должны быть подведены токи. Граничные условия 3-го рода могут быть заданы с помощью потенциалов, поданных к границам через заданные сопротивления (рис. 3.4, д).
Результаты моделирования представляются сеткой эквипотенциальных линий (ф = const), соответствующих изолиниям изучаемой функции. Получение такой сетки связано с решением двух задач: определением потенциала ф в заданных точках области и фиксацией найденных точек.
Использование сеточных моделей основано на конечно-разностной аппроксимации уравнений в частных производных.
Для электрического моделирования поля, описываемого уравнением Лапласа, может быть использована сетка резисторов R (R-сетка). Общий вид одного слоя сетки показан на рис. 3.5, а, схема узловой точки - на рис. 3.7, а. Согласно первому закону Кирхгофа для каждой узловой точки сетки имеем:
При создании конкретных моделей на основе сеток сопротивлений используются те же принципы, что и при использовании сплошных проводящих сред. Так, в силу симметрии моделирование плоскопараллельных и осесимметричных полей осуществляется на двумерной сетке сопротивлений, причем в последнем случае имитация клинового слоя достигается соответствующим выбором сопротивлений (рис. 3.8).
Для изучения трехмерных полей могут быть использованы объемные сетки сопротивлений. Граничные условия задаются с помощью потенциалов, токов или потенциалов, подключенных к конкретным граничным узлам сетки через заданные сопротивления. Задание постоянного потенциала осуществляется закорачиванием граничных узлов. Разрыв цепей на границах
dφ = 0, и т.д.
дп
При использовании сеточных моделей реальные криволинейные границы области исследования заменяют их конечно-разностной аппроксимацией.
Сравнивая сеточные модели с моделями со сплошной проводящей средой, нужно учитывать следующие факторы. С одной стороны, использование конечно-разностной аппроксимации всегда связано с внесением погрешности за счет перехода от производных к их конечно-разностным выражениям. Поэтому сеточные модели в принципе менее точны, чем модели из сплошной проводящей среды. С другой стороны, сеточные
модели существенно более удобны и универсальны. Они позволяют легко моделировать поля в неоднородных и анизотропных средах. Так, при моделировании поля температур в конструкциях, состоящих из материалов с различными теплопроводностями λ, достаточно просто изменить сопротивления между соответствующими узловыми точками сетки.
Вопрос 2. Методы оптимального проектирования. Минимаксные стратегии поиска экстремума: методы Кифера и “золотого сечения”, их сравнительная характеристика с методом дихотомии и аналогия с динамическим программированием.
Дата добавления: 2015-07-15; просмотров: 189 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
Билет 20. Вопрос 1. Структура (состав) математической модели. | | | Метод золотого сечения. |