Вплив теплових і механічних властивостей середовища (газу) в порожнині досліджено на основі проведеного з використанням запропонованої методики аналізу термомеханічної поведінки скляної порожнистої кулі ( ) із скла IR-11 за різних товщин ( ) при сторонньому тепловому опроміненні. Джерелом опромінення є вольфрамовий випромінювач сферичної форми з поверхнею ( ) зовні кулі. На випромінюючій поверхні підтримується температура . Радіаційні властивості випромінювача враховані спектральним ступенем чорноти . Як і у випадку шару і порожнистого циліндра інтегральний потік енергії випромінювання визначається коефіцієнтом ефективного випромінювання джерела (який рівний відношенню площі точкових джерел випромінювання, розміщених на поверхні , до площі всієї поверхні). Коефіцієнт вибраний таким, щоб температура на поверхні кулі за час нагріву ( ) досягла значення 400 С (рівний 0,02314). Куля знаходиться в умовах конвективного теплообміну із зовнішнім середовищем, температура якого рівна . Розглянуто випадки вакуумованої та газонаповненої герметизованої порожнини.
На рис. 7 наведено розподіли в кулі за товщинною координатою тепловиділень (рис.7а), температури (рис.7б) та напружень (рис.7в). Зі збільшенням товщини кулі значення тепловиділень на поверхні порожнини спадає, в результаті чого їх перепад по товщині зростає. Розподіл температури подано для моменту часу за різних товщин кулі. Для менших товщин рівні температури є більші. Розподіли за товщинною координатою напружень приведено для товщин кулі в момент часу у двох випадках: за вакуумованої порожнини (суцільні лінії) та газонаповненої герметизованої (пунктирні лінії). Температурне поле у цих двох випадках практично співпадає. Напруження більші для менших товщин, а тиск газу в герметизованій порожнині в момент часу досягає величини (внаслідок нагріву газу до температури (за початкових: температури та тиску)). Він став причиною зміни напружень в сторону розтягуючих. З результатів обчислень випливає, що за теплового опромінення порожнистих скляних тіл тиск газу в герметизованій порожнині (внаслідок його нагріву від скла) може приводити до суттєвого перерозподілу напружень.
На основі отриманих для порожнистої кулі результатів проведено моделювання термомеханічної поведінки лампи-фари ЛФСМ 27-450-3 за знегажуання з використанням променевого нагрівання тепловим опроміненням промислового джерела. Оскільки геометрична конфігурація розсіювача і корпусу лампи-фари є близька до сферичної, лампу-фару змодельовано порожнистою кулею (товщиною 6 мм і внутрішнім радіусом м). В зв’язку з використанням в якості промислового джерела випромінювання кварцевих галогенних ламп КГ 220-1000-6 з вольфрамовою ниткою розжарювання, джерело випромінювання змодельовано вольфрамовим випромінювачем з поверхнею за температури (при інтенсивності випромінювання, яку створюють дві галогенні лампи, що використовувались в застосовуваній системі нагрівання). На рис.8 штриховою лінією наведено експериментально отриману криву залежності температури на зовнішній поверхні розсіювача зі скла С 40 від часу (температура вимірювалась за допомогою термопари ХК і контролювалась контактними термометрами), а суцільною – криву залежності температури на верхній поверхні порожнистої кулі зі скла тієї ж марки від часу, отриману з використанням запропонованої методики. Час нагріву. Видно, що розрахункова крива з достатньою для практичних потреб точністю узгоджується з експериментальною. Нагрів є практично безградієнтним (максимальний перепад температури є меншим від 12 С). Проведено обчислення відповідних напружень – напруження є стискуючими; максимальними напруженнями є напруження, які досягають значень (значно менших від допустимих).
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ
У дисертації розв’язано актуальне наукове завдання механіки деформівного твердого тіла – розробка методики дослідження зумовленого тепловим опроміненням термонапруженого стану частково прозорих тіл з порожнинами за врахування відбивачів енергії випромінювання (як охолоджуваних, так і неохолоджуваних), спектральних радіаційних характеристик наявних поверхонь (випромінюючих і відбиваючих), властивостей середовища в порожнинах.
У роботі отримано такі основні результати:
1. Побудовано варіант моделі радіаційної термомеханіки, що описує зумовлений тепловим опроміненням термонапружений стан частково прозорих для такого опромінення тіл за врахування спектральних радіаційних характеристик наявних поверхонь, відбивачів теплового випромінювання, властивостей середовища в порожнинах. Вона базується на феноменологічній теорії випромінювання та квазістатичній термопружності, де вплив теплового опромінення на термонапружений стан враховано через об’ємні тепловиділення внаслідок поглинання матеріалом тіла енергії випромінювання, а також перерозподіл енергії теплового опромінення в системі тіло-оточуюче середовище за рахунок наявних відбивачів променевої енергії і можливого їх нагрівання. При цьому враховано спектральні розподіли променевої енергії реальних випромінювачів, а також спектральні радіаційні властивості матеріалів.
2. Сформульовано, на основі запропонованої моделі, задачі радіаційної термомеханіки для частково прозорих тіл канонічної форми (шар, порожнисті циліндр та куля) за однорідного за координатними змінними зовнішнього теплового опромінення.
3 Побудовано, основану на методах безпосереднього інтегрування та скінченних різниць з використанням неявної різницевої схеми та методу прогонки при розв’язування систем лінійних алгебраїчних рівнянь, методику розв’язування відповідних задач математичної фізики для розглядуваних тіл канонічної форми.
4 Розроблено програмне забезпечення в середовищі Compaq Visual Fortran StandartEdition 6.6.0, яке грунтується на запропонованій методиці розв’язування задач. Це програмне забезпечення дозволило провести числові дослідження для широкого діапазону зміни параметрів.
5 Виявлено, на основі аналізу знайдених розв’язків, ряд нових закономірностей механічної поведінки частково прозорих тіл та особливостей їх функціональної здатності за дії зовнішнього теплового опромінення в залежності від способу врахування радіаційних властивостей поверхонь (інтегральними чи спектральними характеристиками), наявності відбивачів (охолоджуваних і неохолоджуваних), властивостей середовища в порожнинах. Основними з них є:
- наявність відбивачів променевої енергії приводить до підвищення температури частково прозорих тіл, зменшення часу їх нагріву та суттєвого пониження рівня напружень;
- використання інтегральних радіаційних характеристик матеріалів випромінювачів замість спектральних приводить до істотного відхилення розрахованих температур та напружень (більш ніж на 40% у розглядуваних випадках);
- властивості середовища в замкнутих порожнинах частково прозорих тіл впливають на напружений стан тіл і повинні враховуватись при оцінці термонапруженог стану, особливо для тонкостінних тіл;
- режими знегажування лампи-фари з використанням променевого нагріву промисловими лампами КГ 220-1000-6 скорочують час термообробки з 180 хвилин (при конвективному нагріванні) до 40 хвилин.
Основний зміст дисертаційної роботи відображено у публікаціях:
1. Гуменчук О.Б. Дослідження режимів конвективного нагріву деформівних тіл при наявності джерел тепла // Мат. методи та фіз.-мех. поля. – 1997. – Т. 40, № 3. – С. 160-165.
2. Гуменчук О.Б., Касперський З., Мусій Р.С. Термонапружений стан скляного порожнистого циліндра при дії електромагнітного випромінювання // Мат. методи та фіз.-мех. поля. – 1998. – Т. 41, № 3. – С. 132-139.
3. Гуменчук О.Б. Методика визначення характеристик електромагнітного випромінювання і тепловиділень у частково прозорому порожнистому циліндрі // Мат. методи та фіз.-мех. поля. – 1999. – Т. 42, № 2. – С. 155-160.
4. Гачкевич М., Гуменчук О., Чорний Б. Методика оптимізації режимів нагрівання конвективним способом і джерелами тепла кусково-однорідних оболонок обертання // Вісн. Львів. ун-ту. Сер. мех.-мат. – 2000. – Вип. 57. – С. 48-51.
5. Гуменчук О.Б. Термонапружений стан частково прозорого шару за умов дії теплового випромінювання // Мат. методи та фіз.-мех. поля. – 2005. – Т. 48, № 2. – С. 147-156.
6. Гачкевич О., Гуменчук О., Пеер-Касперська А. Термонапружений стан частково прозорого шару при зовнішньому тепловому опроміненні за наявності відбивача // Машинознавство. – 2006. – № 7 (109). – С. 3-7.
7. Гачкевич О., Гуменчук О., Пеер-Касперська А. Зумовлений тепловим опроміненням термонапружений стан частково прозорого шару за наявності відбивача // Машинознавство. – 2007. – № 7. – С. 9-16.
8. Гачкевич О.Р., Гуменчук О.Б. Термопружний стан частково-прозорих тіл при дії зовнішнього електромагнітного випромінювання // Вісн. держ. ун-ту «Львів. політехніка». Сер. Прикл. математика. – 1998. – № 337. – Т. 2. – С. 205-208.
9. Гачкевич О.Р., Гуменчук О.Б. Термопружний стан скляної порожнистої кулі, що знаходиться під дією зовнішнього електромагнітного випромінювання // Вісн. держ. ун-ту «Львів. політехніка». Сер. Прикл. математика. – 1998. – № 341. – С. 82-92.