Основы моделирования физических процессов
Моделирование – метод расчетного или экспериментального исследования процесса на тщательно отработанной математической или физической моделях. При использовании моделирования как методики получения результатов поведения натурного образца в той или иной физической ситуации на основе анализа данных расчетов или физического опыта, поставленных на моделях, необходимо доказать возможность обоснованного переноса результатов на натурный образец.
Условия, определяющие необходимость использования в процессе изучения моделирования, могут быть вызваны различными причинами: трудно или практически невозможно изучить явление на натурном объекте; высокая стоимость; большая длительность проведения физического или математического эксперимента.
Моделирование широко используется в задачах тепломассообмена. Например, тепловая защита космических объектов была создана на основе использования метода моделирования. Это позволило создать космические объекты, возвращаемые из безвоздушного космического пространства через плотные слои атмосферы на землю.
Космические аппараты, проходя через плотные слои атмосферы со скоростями близкими ко второй или первой космической скорости, разогреваются до высокой температуры. Так температура воздуха между ударной волной и головной частью аппарата, то есть в непосредственной близости от обшивки, достигает порядка 13.000 К.
12.1. Метод моделирования
Моделирование как метод распадается на два самостоятельных этапа: первый – создание модели; второй – измерения и наблюдения на модели.
Рассмотрим первый этап.
Модель должна быть изготовлена так, чтобы процесс, протекающий в ней, был подобен натурному. Если это условие выполнено, то физический процесс, протекающий на модели, будет адекватным процессу, протекающему на натурном образце, а следовательно, правомочным будет и перенос результатов, полученных в опытах на модели, на поведение явления на натуре.
Применяя условия моделирования к явлению тепломассообмена, требуется подчеркнуть, что для создания модели, подобной натурному явлению, необходимо обеспечить, прежде всего, геометрическое подобие. Ибо, подобные физические процессы развиваются лишь в геометрически подобных метрических пространствах.
Соблюдение условий однозначности требует подобия теплофизических свойств жидкости и подобия процессов на границах исследуемых систем. При моделировании особенно трудно соблюсти первое условие, т.к. физические параметры зависят от температуры, то есть они переменны, ибо процесс теплообмена неразрывно связан с неизотермичностью. Поэтому чаще всего для упрощения процесса моделировать приходится на тех же жидкостях, что используются в натурных явлениях.
Второе требование обеспечивается соблюдением подобия температурных и скоростных полей на входе жидкости в исследуемый объект, а также подобием полей температуры или тепло всех потоков (граничные условия) на поверхностях тел, участвующих в теплообмене.
Для достижения подобия самих процессов в натуре и модели необходимо, кроме того, равенство одномерных определяющих критериев подобия. Например, при стационарной свободной конвекции необходимо равенство критериев Грасгофа и Прандтля
, 
.
Индекс «М» относится к модели, индекс «Н» относится к натурному объекту.
Известно, что для освоения луны необходимо создание герметичных лунных комплексов. В их помещениях необходимо обеспечение условий, позволяющих поддерживать на необходимом уровне жизнедеятельность человека. Это обеспечивается системами жизнеобеспечения. Кстати, такие же требования предъявляются и к помещениям подводных лодок современных типов и некоторых других объектов военной техники. Выбор параметров отопления, вентиляции, кондиционирования невозможен без изучения процессов теплообмена внутри замкнутых помещений этих объектов. Эти процессы должны быть предварительно изучены на земле. Они в основном определяются интенсивностью свободной конвекции. Следовательно, необходимо равенство определяющих критериев подобия, записанное ранее. Распишем его
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.