Archives of Foundry, Year 2001, Volume 1, № 1 (2/2) Archiwum Odlewnictwa, Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (2/2) PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308 17/2 ZAGADNIENIA ODWROTNE PRZEWODZENIA CIEPŁA W ZASTOSOWANIU DO WYZNACZANIA CHARAKTERYSTYK MATERIAŁÓW Z.IGNASZAK1, H.KAMIŃSKI2, G.SYPNIEWSKA–KAMINSKA2 1 Instytut Technologii Materiałów, 2 Instytut Mechaniki Stosowanej Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3, 61–138 POZNAŃ STRESZCZENIE W artykule przedstawiono przykłady praktycznych sposobów rozwiązywania zagadnień odwrotnych znajdujące zastosowanie do wyznaczania cieplnych charakterystyk materiałów. Podano założenia, sformułowania oraz przeprowadzono analizę iteracyjnych i bezpośrednich metod rozwiązywania tych zagadnień. Wskazano na potrzebę rozwoju tych metod w powiązaniu z metodyką pieczołowicie przeprowadzonego eksperymentu. Key words: thermal data of materials, heat transfer, inverse solution, direct and iterative methods. 1. WPROWADZENIE W warunkach szerokiego stosowania optymalizacji technologii odlewania na drodze „virtual prototyping” bezdyskusyjna jest potrzeba poszukiwania efektywnych metod identyfikacji i kwantyfikacji baz danych materiałowych [1,2]. W ostatnich latach zagadnienia odwrotne przewodnictwa ciepła wykorzystywane są coraz częściej do tego celu. Ich zastosowania dotyczą głównie problemów identyfikacji stałych materiałowych takich jak np. współczynnik przewodnictwa ciepła czy też współczynnik przejmowania ciepła w celu określenia warunków kontaktu w układzie odlew-forma. Zastosowania metod odwrotnych mają na celu określenie wielkości niezbędnych do pełnego zdefiniowania założonego modelu procesów zachodzących w układzie odlew–forma, a nie1 2 Dr hab.inż. prof.Politechniki Poznańskiej, [email protected] Dr inż., [email protected] dostępnych przez bezpośredni pomiar. Wyznaczenie tych wielkości wymaga znajomości zmian temperatury w wybranych punktach układu odlew-forma. Zagadnienia odwrotne przewodnictwa ciepła obejmują bardzo szeroką problematykę. Wg [3] rozróżniamy następujące rodzaje zagadnień odwrotnych: zagadnienia graniczne, nazywane również zagadnieniami identyfikacji temperatury, zagadnienia współczynnikowe i graniczne, czyli zagadnienia identyfikacji charakterystyk materiałowych i warunków na brzegu obszarów, zagadnienia identyfikacji funkcji źródła ciepła, zagadnienia odtwarzania historii procesu, zagadnienia wyznaczania kształtu obszaru, w którym zachodzi proces. (do grupy tej należą także zagadnienia wyznaczania granicy faz). Zagadnieniami najczęściej rozważanymi i posiadającymi najbogatszą literaturę, również w odniesieniu do problemów spotykanych w odlewnictwie, są zagadnienia pierwszej i drugiej grupy. W [4] podano nieco odmienną klasyfikację metod odwrotnych, dodatkowo wyróżniając zadania odwrotne i zadania z inwersją. Obie klasyfikacje są spójne i ujmują klasy zagadnień rozpatrywanych w odniesieniu do praktyki i eksperymentu. W niniejszym artykule główną uwagę poświęcono zagadnieniom współczynnikowym. 2. ISTOTA ZAGADNIEŃ ODWROTNYCH I ICH APLIKACJI W SYMULACJI PROCESÓW W ODLEWNICTWIE Jak zostało to dowiedzione, w symulacjach numerycznych procesów odlewania problemem ogromnej wagi jest znajomość wartości współczynników termofizycznych, adekwatnych do warunków, w jakich zachodzi proces. Użyteczność dostępnych w literaturze oraz w bazach kodów (systemów) symulacyjnych wartości współczynników materiałowych, szczególnie w odniesieniu do materiałów formy jest w dużej mierze ograniczona, a przynajmniej powodująca niepewność co do jakości stosowanych z konieczności wartości [5, 6]. Warunki, w jakich wyznaczano te wielkości, o ile w ogóle zostały ściśle sprecyzowane, z reguły znacznie odbiegają od warunków rzeczywistych. Kwestii tej wiele uwagi poświęcono w monografii [7]. Jakość rezultatów przeprowadzonej symulacji numerycznej zależy również w istotny sposób od dokładności określenia cieplnych warunków kontaktu metalu i formy, takich jak wartości charakterystycznych temperatur, strumień ciepła czy współczynniki przejmowania ciepła, w przypadku warunku brzegowego II lub III rodzaju. Obie te grupy parametrów w zasadniczy sposób wpływają na jakość i dokładność symulacji procesów odlewania. Otrzymane wyniki obliczeń mogą być obarczone dużym błędem, którego źródłem jest przyjęcie niewłaściwych wartości współczynników, bądź warunków brzegowych dalekich od rzeczywistych [6]. Trywializując, na nic zda się doskonalenie metod numerycznych rozwiązywania zagadnień początkowo-brzegowych i kodów symulacyjnych wykorzystujących te metody, gdy współczynniki materiałowe i warunki brzegowe nie opisują w zadowalający sposób rzeczywistości i nie są adekwatne jednocześnie do modelowego sposobu uproszczenia warunków panujących w rzeczywistości. Złożoność procesów zachodzących w czasie zalewania formy oraz później w czasie krzepnięcia odlewu, w istotny sposób ogranicza możliwości odtworzenia ich w warunkach laboratoryjnych dla potrzeb eksperymentalnego wyznaczania wszystkich niezbędnych charakterystyk termicznych. W tym świetle aplikacja zagadnień odwrotnych, w szczególności zaś współczynnikowych i granicznych, jest bardzo cennym, a czasami wręcz jedynym, źródłem uzyskiwania danych o rzeczywistych warunkach transportu ciepła, określanych w sposób przydatny do wprowadzenia do modelu. Wyznaczenie tych wielkości wymaga znajomości zmian temperatury w wybranych punktach układu odlew-forma. Ważna jest przy tym świadomość o decydującym wpływie błędu pomiaru na jakość wyznaczanych współczynników. Metodyka pomiaru temperatury, zastosowane elementy pomiarowe, sposób ich lokalizacji i inne czynniki wpływające na błędy statyczni i dynamiczne, muszą być pieczołowicie przygotowane, zwłaszcza gdy w grę wchodzą temperatura powyżej 1000°C [7]. 3. SPOSOBY ROZWIĄZYWANIA ZAGADNIEŃ ODWROTNYCH Istnieje wiele metod rozwiązywania zagadnień odwrotnych przewodnictwa ciepła. Są to zarówno metody analityczne jak i numeryczne, przy czym zakres rozwiązań analitycznych jest ograniczony praktycznie do problemów jednowymiarowych. Metody stosowane do rozwiązywania zagadnień odwrotnych zależą w dużej mierze od rodzaju zagadnienia. Szerszą dyskusję na ten temat można znaleźć w monografiach [4, 7]. Sposób, w jaki w zagadnieniach odwrotnych podchodzi się do wyznaczenia poszukiwanych wielkości, może stanowić podstawę do wyróżnienia metod : iteracyjnych, bezpośrednich. W metodach iteracyjnych cel osiąga się rozwiązując wielokrotnie zagadnienie proste. Poszukiwane wielkości przedstawia się a priori w postaci funkcji parametrycznych określonej postaci. W trakcie procesu iteracyjnego minimalizuje się pewną funkcję celu będącą miarą odległości pomiędzy wartościami temperatury pochodzącymi z pomiaru a wartościami obliczanymi w kolejnej iteracji. Funkcja celu jest funkcją parametrów opisujących identyfikowaną wielkość. Jako funkcję celu najczęściej przyjmuje się błąd kwadratowy. Przed każdym rozwiązaniem zagadnienia prostego wielkości poszukiwane są modyfikowane według ustalonej procedury. Typowy dla metod iteracyjnych przebieg obliczeń przedstawiono na rys. 1 na przykładzie odwrotnego zagadnienia współczynnikowego. W przypadku zagadnień odwrotnych innych typów pętlę sprzężenia zwrotnego należy skojarzyć z odpowiednią inną grupą wielkości niezbędnych do pełnego zdefiniowania modelu matematycznego procesu transportu ciepła. Metody bezpośrednie nie wymagają rozwiązywania zagadnienia prostego. Ich istota polega na wyznaczaniu poszukiwanych wielkości wprost z zależności, otrzymanych po odpowiednim przekształceniu równań modelu matematycznego. Przebieg procesu obliczeniowego charakterystyczny dla bezpośrednich metod rozwiązywania zagadnień odwrotnych pokazano na rys. 2. Schemat dotyczy także zagadnień współczynnikowych. 4. METODY ITERACYJNE W publikacji [8] autor opisuje rozwiązanie zagadnienia odwrotnego dla przypadku współczynnika przejmowania ciepła we wtórnej strefie chłodzenia wlewka. Jest to jedna z pierwszych aplikacji odtworzenia warunku brzegowego dla potrzeb odlewnictwa. W pracy [9] autorzy poszukują współczynnika przewodności cieplnej masy formierskiej w postaci wielomianu: p0 p1 T p2 T 2 p3 T 3 (4.1) Funkcja celu zdefiniowana została następująco: F T xi , j T * xi , j , p0 , p1 , p 2 , p3 5 4 i 1 j 1 (4.2) gdzie: 2 - zmierzone wartości temperatury w punkcie xi i chwili czasu j , x , , p , p , p , p - wartości temperatury w punkcie xi i chwili czasu T xi , j T* j i j 0 1 2 3 , znalezione jako rozwiązanie zagadnienia prostego w kolejnej iteracji. OBIEKT RZECZYWISTY MODEL FIZYCZNY Właściwości materiałowe istotne dla procesu Źródła i upusty ciepła Kształt Stan początkowy Otoczenie MODEL MATEMATYCZNY Wartości początkowe dla poszukiwanych Funkcje źródeł właściwości ciepła Geometria Warunki początkowe Warunki brzegowe METODY OBLICZEŃ „WPROST” EKSPERYMENT SPECJALNIE OPRZYRZĄDOWANY Wartości temperatury w każdym punkcie obszaru Wartości temperatury w wybranych punktach obszaru Modyfikacja wartości poszukiwanych właściwości N Rys.1 Schemat metody iteracyjnej Fig.1 Scheme of iterative method KRYTERIUM PORÓWNAWCZE T Zapis wartości współczynników KONIEC * Rozwiązania T kolejno rozpatrywanych zagadnień prostych otrzymywano metodą różnic skończonych. Zastosowany model zagadnienia prostego nie uwzględniał szczeliny tworzącej się pomiędzy formą i odlewem. Do poszukiwania minimum funkcji celu F ze względu na wartości poszukiwanych stałych p0 , p1 , p2 , p3 zastosowano nieliniową optymalizację według Powella [9]. Poszukiwane wielkości muszą być przedstawione jako parametryczna funkcja temperatury. Funkcję celu przyjęto w postaci błędu kwadratowego pomiędzy wartościami temperatury zmierzonymi i obliczanymi w kolejnych krokach procesu iteracyjnego. Do rozwiązywania zagadnień prostych wykorzystano metodę elementów skończonych. Autor pracy [2] wskazuje na szczególnie istotną zależność wyników symulacji numerycznej procesów transportu ciepła od termicznych właściwości materiału formy, C takich jak współczynnik przewodności cieplnej , ciepło właściwe p oraz gęstość masy . Proponuje więc procedurę określania tych wielkości dla stanów nieustalonych, możliwie najbardziej zbliżonych do warunków w obiekcie rzeczywistym. W pracy [10] może być stosowana do rozwiązywania zarówno współczynnikowych jak i granicznych zagadnień odwrotnych przewodnictwa ciepła. Funkcję celu przyjęto w postaci: OBIEKT RZECZYWISTY MODEL FIZYCZNY Właściwości materiałowe istotne dla procesu Źródła i upusty ciepła Kształt Stan początkowy Otoczenie MODEL MATEMATYCZNY Wartości poszukiwanych właściwości Funkcje źródeł ciepła Geometria Warunki początkowe Warunki brzegowe METODY OBLICZEŃ „WPROST” Formuła przekształcona EKSPERYMENT SPECJALNIE OPRZYRZĄDOWANY Aproksymacja temperatury w czasoprzestrzeni Wartości temperatury i innych wielkości mierzalnych procesu w wybranych punktach obszaru Zapis wartości współczynników KONIEC Rys.2 Schemat metody bezpośredniej Fig.2 Scheme of direct method Nt N m S β T i 1 j 1 gdzie: m ij Tijc β 2 T2 N k k 1 k0 k2 2 (4.3) Ti mj - zmierzone wartości temperatury w punkcie xj obszaru i w chwili czasu ti, Ti cj β - obliczone wartości temperatury dla punktu xj obszaru i chwili czasu ti , z rozwiązania zagadnienia prostego, β 1 , 2 ,..., N - wektor postaci , T - odchylenie standardowe, błąd związany z pomiarem temperatury, k - długość przedziału, wewnątrz którego każda ze współrzędnych k wektora 0 może zmieniać się wokół pewnej, zadanej a priori wartości k . Za pomocą wektora możemy, w zależności od potrzeb, przedstawić poszukiwany związek: – współczynnika przewodnictwa ciepła od temperatury f T , przy czym współrzędne wektora są wówczas interpretowane jako wartości funkcji f dla wybranych T1 , T2 ,...TN ustalonych wartości temperatury: k f Tk (4.4) – współczynnika przewodnictwa ciepła wielomianu 1 2T 3T 2 ... N T od temperatury w postaci następującego N 1 (4.5) g (T ) , przy czym współ– współczynnika przejmowania ciepła od temperatury rzędne wektora są wówczas interpretowane jako wartości funkcji g dla wybranych wartości temperatury: k g Tk T1, T2 ,...TN q h(t ) (4.6) , przy czym współrzędne wektora są wówczas t1 , t 2 ,...t N interpretowane jako wartości funkcji h w ustalonych chwilach czasu k htk (4.7) We wyżej wymienionych przypadkach, poza wymienionym w drugiej kolejności, mamy do czynienia z interpolacją liniową identyfikowanych zależności. Do rozwiązywania zagadnień prostych w kolejnych krokach procesu iteracyjnego wykorzystano metodę elementów skończonych. – strumienia ciepła q od czasu 5. METODY BEZPOŚREDNIE W pracy [11] podjęto próbę wyznaczenia zależności współczynnika przewodności ciepła od temperatury. Wstępnie założono, że identyfikowana będzie następująca postać tego związku: p0 p1 T p2 T 2 p3 T 3 (5.1) Po podstawieniu do równania przewodnictwa ciepła T T C p x x t (5.2) w miejsce prawej strony wzoru (5.1) i wykonaniu odpowiednich przekształceń, żąda się, by błąd spełnienia równania (5.2) w punktach obszaru (jednowymiarowego), w których mierzono temperaturę i w każdej chwili czasu, w której dokonywany był pomiar, osiągał minimum. Żądanie to doprowadza do układu równań F 0 pk k=0,1,2,3 , (5.3) gdzie F jest błędem spełnienia równania, danym wzorem 2 2 T T 5 N x k j x k j F p0 p1 Tk j 2 p2 Tk2j 2Tk j T 2T k 1 j 1 2 x 2 x k j k j 2 T T x t k j kj Cp p3 Tk3j 3Tk2j 2 2 T T 2 2 x x k j kj (5.4) Wartości pochodnych pierwszego i drugiego rzędu względem zmiennej przestrzennej uzyskiwano z aproksymacji przebiegu temperatury wielomianem trzeciego stopnia. Do obliczenia wartości pochodnych czasowych temperatury posłużyła aproksymacja wielomianem stopnia ósmego. Zdaniem autorów pracy [10] opisana wyżej metoda nie dawała zadowalających rezultatów. Odmienne podejście do problemu określania współczynnika przewodnictwa ciepła masy formierskiej przedstawiono w pracach [12, 13]. Autorzy rozważają jednowymiarowe zagadnienie odwrotne postaci: T 1 T x C p 0 x t x x T x (5.5) q x xa (5.6) T b T Tb* x 0 x xb T ( x,0) 0 (5.7) (5.8) x , x a b gdzie: współrzędne brzegu rozważanego obszaru (tzn. jednowymiarowej próbki), - współczynnik kształtu, równy: 0 - dla warstwy płaskiej, 1 – dla warstwy walcowej, 2 – dla warstwy kulistej, C - gęstość pozorna masy formierskiej, p - jej ciepło właściwe, q - gęstość strumienia ciepła na brzegu x x a , Tb* - temperatura otoczenia brzegu x xb , b - współczynnik wymiany ciepła na brzegu x xb . C W modelu uwzględniono zależność ciepła właściwego p od temperatury, przy czym założono, że postać tego związku, wyznaczona w warunkach stacjonarnych, może być wykorzystana do opisu niestacjonarnego pola temperatury. Przyjęto ponadto, że gęstość const . Idea wyznaczania współczynnika przewodnictwa ciepła , zaproponowana w omawianych tutaj pracach [12,13], polega na scałkowaniu równania Fouriera (5.4) w x x xa zmiennym obszarze: od brzegu do pewnej wartości współrzędnej p mieszcząx , x cej się w przedziale a b . xp 1 T T x x x x C p t x dx 0 xa (5.9) a następnie na rozwiązaniu równania (5.9) względem współczynnika . xp x p q x a C p xa x T x T x dx t (5.10) W celu otrzymania (5.10) wykorzystano warunek brzegowy (5.6). Należy jednak zaznaczyć, że pomiar i rejestracja q=q(t) jest problemem złożonym i wymaga zastosowania specjalnego źródła ciepła lub systemu zwanego fluksometrem. Pochodne czasową i przestrzenną temperatury wyznaczono stosując specjalny algorytm aproksymacji temperatur i pochodnych, uzyskanych na podstawie pomierzonych wartości temperatury. 6. PODSUMOWANIE Wobec stałego niedosytu odnośnie braku wiarygodnych danych literaturowych dotyczących wielkości termofizycznych, charakteryzujących materiały, stosowane w odlewnictwie zwłaszcza do wykonywania form odlewniczych, współczynnikowe zagadnienia odwrotne przewodnictwa ciepła wydają się być wielce obiecującym narzędziem służącym do identyfikowania tych wielkości w rzeczywistych, niestacjonarnych warunkach. Metody iteracyjne rozwiązywania zagadnień odwrotnych są najczęściej stosowane. Są to zarazem metody najprostsze pojęciowo. Wymagają one sprawnego narzędzia obliczeniowego do rozwiązywania zagadnień prostych przewodnictwa ciepła, co w obecnej chwili, nawet w odniesieniu do obszarów wielowymiarowych, nie stanowi już większej bariery. Trzeba sobie jednak zdawać sprawę z faktu, że do rozwiązywania bardziej złożonych zagadnień w obszarach dwu- lub trójwymiarowych, metody te wymagają dużej mocy obliczeniowej. Metody bezpośrednie nie mają w dziedzinie odlewnictwa wielu aplikacji. Jedna z przedstawionych w niniejszej pracy metod [11], pomimo że bardzo prosta pojęciowo, nie dawała zadowalających wyników. Źródło niepowodzeń tej metody związane jest naszym zdaniem ze złym uwarunkowaniem numerycznym obliczania pochodnych. Druga z przedstawionych metod bezpośrednich dotyczyła specyficznego, uproszczonego zagadnienia. Uzyskana formuła końcowa dla współczynnika przewodnictwa ciepła [12, 13] nie ma wobec tego cech ogólności. Wydaje się jednak, że tą drogą można otrzymać także rozwiązania w innych, bardziej ogólnych przypadkach. Za możliwością aplikacji metod bezpośrednich w procesach krzepnięcia przemawia także fakt, że są one z powodzeniem stosowane w zagadnieniach przewodnictwa ciepła w innych obszarach techniki. Przy czym mogą to być nie tylko metody takie, jak „bilansowa” metoda opisana w rozdziale 5, ale również inne metody np. metoda elementów brzegowych wynikająca z teorii potencjałów, metoda źródeł pozornych czy inne metody kollokacyjne. Zaletą metod bezpośrednich jest to, że w porównaniu z metodami iteracyjnymi do rozwiązania tego samego problemu wymagają znacznie mniejszych mocy obliczeniowych. Ponadto należy przypomnieć, że dyskutując problemy jakości rozwiązań zagadnień odwrotnych koniecznie należy analizować ich tzw. słabe uwarunkowanie, związane z wrażliwością temperatury na błędy pomiarów. LITERATURA [1] Z.Ignaszak, P.Mikołajczak: Chosen aspects of gradient criteria correlation with shrinkage defects in post-processing procedure of simulation code. 10th Conference and Exhibition on VIRTUAL PROTOTYPING by NUMERICAL SIMULATION – EUROPAM 2000, Nantes 2000. [2] Z. Ignaszak: Aplikacyjne uwarunkowania rozwoju modelowania i symulacji procesów odlewania.. Materiały Konferencji sprawozdawczej Komitetu Hutnictwa PAN, Krynica, 1998 [3] K. Grysa, O ścisłych i przybliżonych metodach rozwiązywania zagadnień odwrotnych pól temperatur. wyd. Politechniki Poznańskiej, Seria Rozprawy Nr 204, Poznań 1989. [4] J.S.Suchy: Zastosowanie metod numerycznych w projektowaniu technologii odlewniczych. Krzepmięcie Metali i Stopów, wyd. Ossolineum, Wrocław 1986. [5] Z.Ignaszak : Simulation model sensivity to quality of material properties. Solidification of Metals and Alloys, 1999, vol.1, Book no 40. [6] Z.Ignaszak: Termofizyczne parametry materiałów izolacyjnych w zastosowaniach do projektowania zasilania odlewów i symulacji ich krzepnięcia. Solidification of Metals and Alloys, 1999, vol.1, Book no 40. [7] Z.Ignaszak: Właściwości termofizyczne materiałów formy w aspekcie sterowania procesem krzepnięcia odlewów. Rozprawy nr 211,. wyd. Politechniki Poznańskiej, Poznań 1989. [8] R.Grzymkowski: Analiza numeryczna procesów wymiany ciepła na powierzchni wlewka ciągłego. Skrypt „Matematyczne metody w obliczeniach procesów ...”wyd. Politechn.Śląskiej 1985. [9] K. Kubo, Mizuuchi K., Ohnaka I., Fukasako T.: Measurement of Thermal Properties of Sand Molds by Pouring Method. Proceedings of 50 Congrès International de Fonderie, Cairo 1983. [10] M.Rappaz, J. L.Desbiolles, J. M.Drezet, Ch.-A..Gandin, A..Jacot, Ph..Thévoz: Application of Inverse Methods to the Estimation of Boundary Conditions and Properties. VII International Conference Modelling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes, The Minerals, Metals &Materials Society, London 1995. [11] K. Kubo, I.Ohnaka., Fukasako T., Mizuuchi K.: Measurement of Thermal Conductivity of Sand Molds by Parameter Optimization Technique. Imono, Vol. 53, No 11, 1981. [12] Z.Ignaszak, H.Kamiński - Metoda wyznaczania współczynnika przewodności cieplnej. Podstawy teoretyczne. Archiwum Technologii Budowy Maszyn, zeszyt 6, wyd.PAN, Poznań 1987 [13] Z.Ignaszak: La conductivité thermique substitutive du moule. Une nouvelle méthode de mesure pour la simulation de la solidification des pièces. Fonderie Fondeur d'Aujourd'hui 121, 1993. INVERSE PROBLEMS OF HEAT TRANSFER APPLICATED IN DATA MATERIAL DETERMINATION SUMMARY In the paper the examples of practical solutions of inverse problem methods applied to thermal material data determination are presented. The assumptions and rules and also analyse of iterative and direct methods are shown. It is indicated that the development of those methods, connected with careful experiment methodology, are needed. Recenzowała Prof. Ewa Majchrzak