Математичні моделі визначення температурних полів у теплоактивних елементах цифрових пристроїв з локальним внутрішнім нагріванням та із урахуванням термочутливості

Abstract

Розроблено лінійну та нелінійну математичні моделі визначення температурного поля, а в подальшому і аналізу температурних режимів в ізотропних просторових теплоактивних середовищах, які піддаються внутрішньому локальному тепловому навантаженню. У випадку нелінійної крайової задачі застосовано перетворення Кірхгофа, із використанням якого лінеаризовано вихідне нелінійне рівняння теплопровідності та нелінійні крайові умови і внаслідок отримано лінеаризоване диференціальне рівняння другого порядку з частковими похідними та розривною правою частиною та частково лінеаризовані крайові умови. Для остаточної лінеаризації частково лінеаризованих крайових умов виконано апроксимацію температури за радіальною просторовою координатою на межовій поверхні термочутливого середовища кусково-сталою функцією, внаслідок чого отримано крайову задачу цілком лінеаризованою. Для розв'язування лінійної крайової задачі, а також отриманої лінеаризованої крайової задачі відносно перетворення Кірхгофа використано метод інтегрального перетворення Генкеля, внаслідок чого отримано аналітичні розв'язки цих задач. Для термочутливого середовища, як приклад, вибрано лінійну залежність коефіцієнта теплопровідності конструкційного матеріалу структури від температури, яку часто використовують у багатьох практичних задачах. Внаслідок, отримано аналітичне співвідношення для визначення розподілу температури у цьому середовищі. Виконано числовий аналіз поведінки температури як функції просторових координат для заданих значень геометричних і теплофізичних параметрів. Досліджено вплив потужності внутрішніх джерел тепла та матеріалів середовища на розподіл температури. Для визначення числових значень температури в наведеній конструкції, а також аналізу теплообмінних процесів в середині цих конструкцій, зумовлених внутрішнім тепловим навантаженням, розроблено програмні засоби, із використанням яких виконано геометричне зображення розподілу температури залежно від просторових координат. Розроблені лінійна та нелінійна математичні моделі визначення температурного поля у просторових теплоактивних середовищах з внутрішнім нагріванням свідчать про їх адекватність реальному фізичному процесу. Вони дають змогу аналізувати такі середовища щодо їх термостійкості. Як наслідок, стає можливим її підвищити і захистити від перегрівання, яке може спричинити руйнування не тільки окремих вузлів та їх елементів, а й всієї конструкції.

Linear and non-linear mathematical models for the determination of the temperature field, and subsequently for the analysis of temperature regimes in isotropic spatial heat-active media subjected to internal local heat load, have been developed. In the case of a nonlinear boundary-value problem, the Kirchhoff transformation is applied, using which the original nonlinear heat conduction equation and nonlinear boundary conditions are linearized, and as a result, a linearized second-order differential equation with partial derivatives and a discontinuous right-hand side and partially linearized boundary conditions is obtained. For the final linearization of the partially linearized boundary conditions, the approximation of the temperature by the radial spatial coordinate on the boundary surface of the thermosensitive medium was performed by a piecewise constant function, as a result of which the boundary value problem was obtained completely linearized. To solve the linear boundary value problem, as well as the obtained linearized boundary value problem with respect to the Kirchhoff transformation, the Henkel integral transformation method was used, as a result of which analytical solutions of these problems were obtained. For a heat-sensitive environment, as an example, a linear dependence of the coefficient of thermal conductivity of the structural material of the structure on temperature, which is often used in many practical problems, was chosen. As a result, an analytical relationship was obtained for determining the temperature distribution in this medium. Numerical analysis of temperature behavior as a function of spatial coordinates for given values of geometric and thermophysical parameters was performed. The influence of the power of internal heat sources and environmental materials on the temperature distribution was studied. To determine the numerical values of the temperature in the given structure, as well as to analyze the heat exchange processes in the middle of these structures, caused by the internal heat load, software tools were developed, using which a geometric image of the temperature distribution depending on the spatial coordinates was made. The developed linear and nonlinear mathematical models for determining the temperature field in spatial heat-active environments with internal heating testify to their adequacy to a real physical process. They make it possible to analyze such environments for their thermal stability. As a result, it becomes possible to increase it and protect it from overheating, which can cause the destruction of not only individual nodes and their elements, but also the entire structure.