Wymiana ciepła w polimerach

Kluczowym aspektem podejścia opracowanego w ramach projektu "Determination of heat transfer coefficients by inverse methods" (HTC) było ustalenie wymiany ciepła na powierzchni elementów polimerowych. Obliczenie warunków wymiany ciepła wymaga oszacowania zarówno temperatury powierzchni, jak i strumienia cieplnego. Właściwości te trudno bezpośrednio wyznaczyć na podstawie pomiarów.

Metody odwrotne opracowane przez badaczy z projektu HTC umożliwiają szacowanie warunków brzegowych na podstawie historii temperatur we wnętrzu ciała stałego. Procedura polega na mierzeniu reakcji termicznej wewnątrz badanego elementu i wyznaczaniu na tej podstawie strumienia cieplnego i temperatury na powierzchni.

Jest to tak zwana metoda odwrotnej wymiany ciepła, jednak w tym przypadku prowadzi ona do niewłaściwie postawionego zagadnienia, które nie spełnia wymogów istnienia, unikalności i stabilności rozwiązania. W przeszłości poświęcono wiele wysiłku na wyznaczenie rozwiązania dokładnego i niewrażliwego na szumy w pomiarach temperatury. Dotychczas badano jedynie zagadnienia związane z oszacowaniem granicznych warunków strumienia cieplnego i temperatury.

Zespół projektu HTC skoncentrował się na współczynnikach wymiany ciepła odpowiadających przekazywaniu ciepła na powierzchnię ciała stałego. Problem szacowania współczynników zależnych od przestrzeni, czasu i temperatury potraktowano zarówno jako problem liniowy, jak i nieliniowy. Do uzyskania fizycznie realistycznego rozwiązania zastosowano nową technikę regularyzacji w postaci metody sprzężonych gradientów.

Przeprowadzono szereg doświadczeń numerycznych w celu sprawdzenia skuteczności metody w tłumieniu wrażliwości obliczonego rozwiązania na szum. Badania projektu HTC początkowo dotyczyły tylko zagadnień związanych z projektowaniem struktur i produktów polimerowych, ale zostaną rozszerzone na odlewanie metali i wymienniki ciepła z rur żebrowanych.

Teoria zagadnień odwrotnych nadal wymaga wielu badań, ale poczyniono już pierwsze kroki. Oczekuje się, że ścisła współpraca z partnerami przemysłowymi projektu HTC pozwoli zidentyfikować dalsze zastosowania. Wprowadzenie wydajnych technik obliczeniowych powinno zwiększyć konkurencyjność europejskiego przemysłu.