Rozvoj inverzních úloh vedení tepla se zaměřením na velmi rychlé procesy v mikroskopických měřítcích

Abstract

Řešením inverzní úlohy je okrajová podmínka v rovnici vedení tepla. Z její znalosti lze určit teplotní pole chlazeného tělesa. V práci jsou zkoumány způsoby, jak zvýšit přesnost výsledků získaných řešením inverzní úlohy založeném na Beckově sekvenčním algoritmu. Pozornost je zaměřena na děje, při kterých se okrajová podmínka mění velmi rychle, a je tak náročnější ji určit. Je ukázáno, že umístění a typ termočlánku hrají v přesnosti výpočtu zásadní úlohu, dále to je frekvence měření a rozlišitelnost přístroje pro záznam dat z termočlánku. Také nastavení parametrů inverzní úlohy je nutno pečlivě uvážit. Poznatky z teoretické části práce jsou využity v experimentální části, v níž je zkoumána chladicí intenzita při ostřiku ocelového vzorku vodou s nanočásticemi Al2O3, TiO2, Fe a uhlíkovými nanovlákny MWNT o třech různých koncentracích. Experimenty byly provedeny pro tři různé ostřikové vzdálenosti (40, 100, 160 mm), tři průtoky (1, 1.5, 2 kg/min) a dva typy trysek (kuželová a jednopaprsková). Z porovnání s vodou je intenzita chlazení nanokapalinami překvapivě nižší a to až o 30% s výjimkou 1 hm.% uhlíkových nanovláken ve vodě dopadajících na horký povrch ze vzdálenosti 100 mm. V tomto případě bylo dosaženo zvýšení až o 174%. Na závěr jsou vyloženy možné důvody pozorovaného chování nanokapalin.

The inverse heat conduction task is solved to determine boundary condition of the heat equation. This work deals with the ways how to increase the accuracy of the results obtained by solving inverse task based on the Beck sequential algorithm. The work is focused on the boundary condition changing very fast. This boundary condition is determinable with difficulty. It is shown that the placement and the type of the thermocouple play major role in accuracy of the calculation. The frequency of measuring and the discriminability of used devices also play a role as well as the setup of parameters in the inverse task. The election of mentioned parameters is described with regard to the speed of cooling. Knowledge from the theoretical part of the work is applied in the experimental part. The cooling intensity is investigated during spraying of the steel sample by water with nanoparticles Al2O3, TiO2, Fe and MWNT at three different concentrations. The experiments were carried out for three spray heights (40, 100, 160 mm), three flow rates (1, 1.5, 2 kg/min) and two types of the nozzle (full cone and solid jet). Surprisingly, the cooling intensity by using nanofluids is lower about 30% in comparison to the cooling intensity of pure water. But there was an exception. The cooling intensity of 1 wt.% of carbon nanotubes in water falling from the full cone nozzle placed in distance of 100 mm from the steel surface was higher about 174%. Finally, the reasons of the behavior of nanofluids are discussed.