Математика / 5.Математическое моделирование
К.т.н., Исмаилов
А.О.
Костанайский
государственный университет им. А.Байтурсынова, Казахстан
Численные расчеты
коэффициентной обратной задачи уравнений теплопроводности промерзающего грунта
Приближенные
методы решения задачи распространение тепла и влаги в многослойной области
изучена в серий работ [1-4]. Математический модель конвективного
распространения тепла подробно описано в работе [5], а
результаты многочисленных экспериментов теплообмена приведены в работе [6]. Многие задачи техники и пройзводства приводять нас к
решению обратной задачи. Поэтому умение решать обратные задачи становятся
актуальной задачей современного состояния развития науки. Некоторые
теоретические результаты идентификация
параметра кондуктивного распространения тепла изучены в работах [7-8]. В настоящей работе приводится результаты численных
экспериментов задачи определения коэффициента теплопроводности однородного
грунта.
1.
Постановка задачи. В области изучается
кондуктивное распространение тепла. Требуется определить коэффициент
теплопроводности . Решение поставленной задачи будем искать из минимума
функционала /7-9/:
.
Здесь вычисленное значение
температуры грунта на поверхности земли, а фактическая
температура грунта на поверхности земли. После теоретических рассуждений в
работе /9/ получен следующий алгоритм решения поставленной задачи.
1) Задается начальное приближение
2) Решается прямая задача,
, (1)
где , ,
, (2)
, , (3)
, , , при , (4)
, .
(5)
.
(6)
и определяется и .
3) Решается сопряженная задача
(7)
, (8)
, (9)
, (10)
, (11)
. (12)
и определяется
4) Вычисляется градиент функционала .
5) Следующее приближение коэффициента
теплопроводности определяется по формуле:
, .
2.
Численный эксперимент. В качестве
экспериментальной зоны взяты двухслойный грунт: верхний слой земля влажная
толщиной 1м, второй слой глина с толщиной 4м. Значения коэффициента
теплопроводности земля влажная, глины измеряли прибором ИТ–-400, а значение коэффициента теплоемкости измеряли прибором
ИТ–с–400. Теплофизические характеристики экспериментальной зоны приведены в
таблице 1.
Таблица 1 - Теплофизические характеристики
земля влажная и глина
Наименование материала |
, |
, вт/(м×град) |
с, кДж/(кг×град) |
Земля влажная |
1700 |
0,658 |
2,01 |
Глина |
1850 |
1,035 |
1,089 |
Эксперимент проводился, когда температура
внешней среды меняется в течение 24, 48, 72, 96 часов. Шаг по пространственным
переменным , а шаг по времени час. Изучался
динамика стремления приближенного значения температуры грунта на поверхности
земли и коэффициента теплопроводности грунта к измеренному значению в процессе
итерации (см. рисунок 1).
Если за начальное приближение коэффициента
теплопроводности 1-го слоя взять вт/(м*град), 2-го
слоя вт/(м*град), то
процесс приближение показаны на рисунке 2 и 3.
Рисунок 1 – Отклонение приближенного значения
температуры от точного значения температур грунта на поверхности земли
а) б)
Рисунок 2 - Приближение коэффициента теплопроводности
двухслойного грунта при 30 итерациях 1-ряд истинное значение, 2-ряд приближенное
значение: а) 1 слой; б) 2 слой
а)
б)
Рисунок 3 - Приближение коэффициента теплопроводности
двухслойного грунта 60 итерации 1-ряд истинное значение, 2-ряд приближенное
значение: а) 1 слой; б) 2 слой
Ниже приведена зависимость функционала от
количества итерации (см. рисунок 4).
Рисунок 4 - Зависимость функционала от количества
итерации
Исследовано отклонение приближенного
значения температуры грунта на поверхности земли от точного значения.
Результаты оформлены в виде таблицы 2:
Таблица 2 - Максимальное отклонение
температуры грунта на поверхности земли
Количество
итерации |
30 |
60 |
90 |
120 |
Максимальное
отклонение |
0.17 |
0.162 |
0,158 |
0,155 |
На основе полученных максимальных
погрешностей построена график, где показано динамика изменения погрешности
предложенного итерационного метода (см. рисунок 5).
Рисунок 5 – Максимальное отклонение приближенного
значения температуры грунта на поверхности земли от точного значения
Литература:
1. Жумагулов Б.Т., Рысбайұлы Б., Адамов А.А.
Сходимость разностной схемы для обобщенной задачи Стефана конвективного
распространения влаги // Вестник НАН РК. 2007,
№5, с. 30-41.
2. Рысбайұлы Б., Адамов А.А. Исследование изменений
теплоемкости фазовой зоны в многослойном грунте // Доклады НАН РК. 2007, №4,
с. 14-17.
3. Рысбайұлы Б., Адамов А.А. Исследование
теплопроводности фазовой зоны в многослойном грунте // Вестник НАН РК. 2007, №4, с. 30-33.
4. Рысбайұлы Б., Адамов А.А. Зависимость влаги от
толщины слоя при промерзаний многослойного грунта // Известия НАН РК. Серия физика,
математика. 2007, №5, с. 15-18.
5. Мартынов Г.А.
Тепло - и влагоперенос в промерзающих и оттаивающих грунтах. Основы
геокриологии (мерзлотоведения). – М.: 1959, под. ред. Н.А. Цитович. гл. VI с. 153-192.