Математична модель теплообміну в елементах цифрових пристроїв

Abstract

Розроблено математичну модель аналізу теплообміну між ізотропною двошаровою пластиною, яка нагрівається точковим джерелом тепла, зосередженим на поверхнях спряження шарів, і навколишнім середовищем. Для цього з використанням теорії узагальнених функцій коефіцієнт теплопровідності матеріалів шарів пластини зображено як єдине ціле для всієї системи. З огляду на це, замість двох рівнянь теплопровідності для кожного із шарів пластини та умов ідеального теплового контакту між ними отримано одне рівняння теплопровідності в узагальнених похідних із сингулярними коефіцієнтами. Для розв’язування крайової задачі теплопровідності, що містить це рівняння та крайові умови на межових поверхнях пластини, використано інтегральне перетворення Фур’є й отримано аналітичний розв’язок задачі в зображеннях. До цього розв’язку застосовано обернене інтегральне перетворення Фур’є, яке дало змогу одержати остаточний аналітичний розв’язок вихідної задачі. Отриманий аналітичний розв’язок подано у вигляді невласного збіжного інтеграла. За методом Сімпсона одержано числові значення цього інтеграла з певною точністю для заданих значень товщини шарів, просторових координат, питомої потужності точкового джерела тепла, коефіцієнта теплопровідності конструкційних матеріалів пластини та коефіцієнта тепловіддачі з межових поверхонь пластини. Матеріалом першого шару пластини є мідь, а другого – алюміній. Для визначення числових значень температури в наведеній конструкції, а також аналізу теплообміну між пластиною та навколишнім середовищем, зумовленого різними температурними режимами завдяки нагріванню пластини точковим джерелом тепла, зосередженим на поверхнях спряження шарів, розроблено обчислювальні програми. Із використанням цих програм наведено графіки, що відображають поведінку кривих, побудованих із використанням числових значень розподілу температури залежно від просторових координат. Отримані числові значення температури свідчать про відповідність розробленої математичної моделі аналізу теплообміну між двошаровою пластиною з точковим джерелом тепла, зосередженим на поверхнях спряження шарів і навколишнім середовищем, реальному фізичному процесу. Програмні засоби також дають змогу аналізувати такі неоднорідні середовища щодо їх термостійкості під час нагрівання. Завдяки цьому уможливлюються підвищення термостійкості та захист від перегрівання, яке може спричинити руйнування не тільки окремих елементів, а й усієї конструкції.

A mathematical model of heat exchange analysis between an isotropic two-layer plate heated ba point heat source concentrated on the conjugation surfaces of layers and the environment has been developed. To do this, using the theory of generalized functions, the coefficient of thermal conductivity of the materials of the plate layers is shown as a whole for the wholesystem. Given this, instead of two equations of thermal conductivity for each of the plate layers and the conditions of ideal thermal contact, one equation of thermal conductivity ingeneralized derivatives with singular coefficients is obtained between them. To solve the boundary value problem of thermal conductivity containing this equation and boundary conditions on the boundary surfaces of the plate, the integral Fourier transform was used and as a result an analytical solution of the problem in images was obtained. An inverse integral Fourier transform was applied to this solution, which made it possible to obtain the final analytical solution of the original problem. The obtained analytical solution is presented in the form of an improper convergent integral. According to Simpsons method, numerical values of this integral are obtained with a certain accuracy for given values of layer thickness, spatial coordinates, specific power of a point heat source, thermal conductivity of structural materials of the plate and heat transfer coefficient from the boundary surfaces of the plate. The material of the first layer of the plate is copper, and the second is aluminum. Computational programs have been developed to determine the numerical values of temperature in the given structure, as well as to analyze the heat exchange between the plate and the environment due to different temperature regimes due to heating the plate by a point heat source concentrated on the conjugation surfaces. Using these programs, graphs are shown that show the behavior of curves constructed using numerical values of the temperature distribution depending on the spatial coordinates. The obtained numerical values of temperature indicate the correspondence of the developed mathematical model of heat exchange analysis between a two-layer plate with a point heatsource focused on the conjugation surfaces of the layersand the environment, the real physical process.