caplin_nikulin_modelirovanie_v_metallurgii

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский государственный технический университет»

А.И. Цаплин, И.Л. Никулин

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОБЪЕКТОВ В МЕТАЛЛУРГИИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского государственного технического университета

2011

1

УДК 53(0758) ББК 22.3

Ц17

Рецензенты:

доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Прикладная математика и информатика» Е.Л. Тарунин (Пермский государственный университет);

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Общая физика» Г.Н. Вотинов (Пермский государственный технический университет)

Цаплин, А.И.

Ц17 Моделирование теплофизических процессов и объектов в металлургии: учеб. пособие / А.И. Цаплин, И.Л. Никулин. – Пермь: Изд-воПерм. гос. техн. ун-та, 2011. – 299 с.

ISBN 978-5-398-00575-2

Рассмотрены основы моделирования, необходимые для изучения дисциплин в техническом вузе при подготовке бакалавров по направлению «Металлургия». Дана математическая формулировка задач стохастического моделирования, сложного теплообмена, в том числе при фазовых переходах, рассмотрены основы теории подобия, а также основы вычислительного компьютерного эксперимента с применением нейтральных разностных схем. Представлен цикл лабораторных работ и заданий для самостоятельного изучения.

Предназначено для студентов технических вузов. Может быть полезным для аспирантов и преподавателей вузов.

УДК 53(0758)

4

6

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие предназначено студентам младших курсов технических вузов, изучающих моделирование процессов и объектов в металлургии по направлению бакалаврской подготовки «Металлургия». Оптимизация технологических процессов в металлургии, связанных с переносом и использованием тепловой энергии, предъявляет все более сложные требования к расчету тепломассообмена. Для технологических схем, например, получения литого металла, в которых необходимость отвода или перераспределения тепла раньше вообще не принималась во внимание или учитывалась упрощенно с использованием эмпирических соотношений теории подобия, теперь требуется применение достаточно точныхметодов теплового расчета.

Детальное описание стохастических процессов, тепломассообмена, обеспечивающее надежное совпадение расчетных данных с результатами экспериментов, возможно на основе моделирования и современного вычислительного эксперимента на компьютере.

Основная идея решения на компьютере неравновесных задач тепломассообмена заключается в замене исходных дифференциальных уравнений и краевых условий, описывающих теплообмен, конечно-разностными аналогами и в последующем решении алгебраических уравнений с неизвестными значениями определяемых функций в узлах сетки.

Однако численные методы только кажутся простыми и оптимистичными, их применение порождает новые требования и проблемы. Одной из таких проблем является спектр неизбежных ошибок округления, аппроксимации, схемных ошибок, которые искажают решение, сглаживая неоднородности, проявляясь в виде фиктивных источников, стоков и т.д. Уменьшение этих ошибок – непростая задача. Так, например, сгущение конечно-разностной сетки, приводящее к снижению ошибок

7

аппроксимации, одновременно может приводить к возрастанию ошибок округления и схемных ошибок. Применение нейтральных (по отношению к спектру ошибок) конечноразностных схем к уравнениям тепломассопереноса позволяет не только удовлетворять требованиям адекватности вычислительного эксперимента, но и повышать устойчивость счета, эффективность вычислительного алгоритма.

Проведение теплофизических расчетов предполагает знание законов тепломассообмена, инженерных методов расчета, основанных на теории подобия и моделирования. Поэтому в учебном пособии последовательно излагаются в соответствии с существующим образовательным стандартом подготовки бакалавров по направлению «Металлургия» законы теплопроводности, диффузии, конвективного теплообмена и теплообмена излучением. Рассмотрены различные постановки задач теплофизики формирования слитка сучетом фазовыхи структурных переходов.

Значительное внимание уделяется выработке практических навыков вычислительного эксперимента. Рассматривается общий алгоритм решения задач тепломассообмена, обсуждаются проблемы аппроксимации, устойчивости. Описаны эффективные методы решения сеточных уравнений, а также даны прошедшие практическую проверку Паскаль-программы их реализации.

Основная задача учебного пособия состоит в том, чтобы в рамках курса моделирования не только познакомить студентов технического университета с основами предмета, но и пробудить у них интерес к методам вычислительного эксперимента на компьютере, к пониманию и умению оценки спектра ошибок, применяя известный программный продукт и разрабатывая собственные программы для решения конкретных задач.

Учебное пособие состоит из трех частей. Первая часть содержит теоретические основы математического моделирования, вторая часть – лабораторный практикум, в третьей части представлены материалы для самостоятельной работы и контроля уровня обученности. Нумерация параграфов в каждой главе начинается заново, при этом первая цифра параграфа со-

8

ответствует номеру главы. Номера формул и рисунков в главе имеют сквозную нумерацию (первая цифра соответствует номеру главы). В каждой главе своя нумерация примеров.

Небольшой объем учебного пособия обусловил ограничения при изложении обширных вопросов моделирования в металлургии и заставил прибегнуть к физическому уровню строгости изложения. Сознательный уход от подробного математического обоснования позволил акцентировать внимание на постановке задач и основных проблемах практического решения. Углубленное изучение предмета можно продолжить, пользуясь приведенным списком литературы.

9

ВВЕДЕНИЕ

Моделирование представляет собой метод исследования свойств одного объекта посредством изучения свойств другого объекта, более удобного для исследования и находящегося в определенном соответствии с первым объектом, т.е. при моделировании экспериментируют не с самим объектом, а с его заменителем, который называют моделью.

Методы моделирования применяются практически во всех областях деятельности человека – при решении научно-техни- ческих задач, для изучения социальных, экономических, медицинских, военных или экологических проблем.

Моделями человек начал пользоваться с незапамятных времен. Исторически первыми моделями как заместителями некоторых объектов были, видимо, символические условные модели. Это языковые знаки, которые в ходе развития составили разговорный язык. Применение символических условных моделей другого типа связано, вероятно, с возникновением обмена: сначала предметы раскладывали в два ряда, друг напротив друга, чем и добивались однозначного соответствия, потом было установлено, что соответствия объектов одного рода объектам второго рода можно добиться, сравнивая их с объектами третьего рода, сначала с естественными объектами – пальцы рук и ног, затем с искусственными – специально изготовленными палочками. Эти первые логические условные модели постепенно привели к формированию понятию числа.

Следующий этап развития логического моделирования – возникновение знаковых числовых обозначений.

В глубокой древности возник и получил развитие метод распространения свойств одних объектов на другие, который теперь называется умозаключением по аналогии.

Дальнейшее развитие логических знаковых моделей связано с возникновением письменности и математической символики, а это относится примерно к 2000 г. до н. э. – времени

10