Визначення ефективних значень теплофізичних властивостей сипких матеріалів

A procedure has been devised for determining the effective thermophysical properties of bulk materials with different granulometric and material composition, based on the integration of discrete and continuous models of media. The problem on the mechanical-thermal state of a cylindrical layer of bulk material has been stated in order to determine its effective thermophysical properties. Based on the discrete-continuous perceptions of bulk media, an approach has been suggested and a procedure has been devised for solving the problem set. The algorithm for determining effective values of thermophysical properties of bulk materials has been constructed. Numerical implementation of the developed procedure was performed using free open source software (LIGGGHTS, ParaView). The proposed procedure makes it possible to determine effective values for the thermophysical properties of a bulk material (bulk density, effective thermal conductivity coefficient and the effective value for isobaric mass heat capacity) with arbitrary material and granulometric composition. In this case, there is a need for a minimum volume of complex and costly experimental studies with subsequent numerical simulation of the process of the mechanical-thermal state of the examined bulk material. In this case, the true physical properties can be acquired from reference books. Using an example of model material, its effective thermophysical properties have been defined for different granulometric composition and the verification of the developed procedure has been performed. It was established that data on the effective thermal conductivity calculation based on the devised procedure differ from data obtained based on the theoretical averaged dependences, within 0.8‒9.0 %. The reported results are useful for numerical analysis in the continual approximation of thermal modes of the processes and equipment where bulk materials are usedРазработана методика определения эффективных теплофизических свойств сыпучих материалов различного гранулометрического и материального состава, основанная на объединении дискретной и континуальной моделей среды. Сформулирована задача механотермического состояния цилиндрического слоя сыпучего материала для определения его эффективных теплофизических свойств. На основе дискретно-континуальных представлений о сыпучей среде предложен подход и разработана методика решения поставленной задачи. Разработан алгоритм определения эффективных значений теплофизических свойств сыпучих материалов. Численная реализация разработанной методики выполнена с использованием свободно открытого программного обеспечения (LIGGGHTS, ParaView). Предложенная методика позволяет определять эффективные значения теплофизических свойств сыпучего материала (насыпной плотности, эффективного коэффициента теплопроводности и эффективного значения изобарной массовой теплоемкости) произвольного материального и гранулометрического состава. В этом случае необходимо проведение минимального объема сложных и затратных экспериментальных исследований с последующим численным моделированием процесса механотермического состояния исследуемого сыпучего материала. При этом истинные физические свойства можно брать со справочников. На примере модельного материала определены его эффективные теплофизические свойства для различного гранулометрического состава и проведена верификация разработанной методики. Установлено, что данные расчетов эффективной теплопроводности по разработанной методике отличаются от данных, полученных по осредненным теоретическим зависимостям, в пределах 0,8–9,0 %. Результаты исследований являются полезными для численного анализа в континуальном приближении тепловых режимов процессов и оборудования, где используются сыпучие материалыРозроблено методику визначення ефективних теплофізичних властивостей сипких матеріалів різного гранулометричного та матеріального складу, що базується на поєднанні дискретного і континуального уявлень про середовище. Сформульовано задачу механотермічного стану циліндричного шару сипкого матеріалу для визначення його ефективних теплофізичних властивостей. На базі дискретно-континуальних уявлень про сипке середовище запропоновано підхід та розроблено методику розв’язання поставленої задачі. Розроблено алгоритм визначення ефективних значень теплофізичних властивостей сипких матеріалів. Числову реалізацію розробленої методики виконано з використанням вільно відкритого програмного забезпечення (LIGGGHTS, ParaView). Пропонована методика дає змогу визначити ефективні значення теплофізичних властивостей сипкого матеріалу (насипної густини, ефективного коефіцієнта теплопровідності та ефективного значення ізобарної масової теплоємності) довільного матеріального й гранулометричного складу. У цьому разі потрібне проведення мінімального обсягу складних і витратних експериментальних досліджень з наступним числовим моделюванням процесу механотермічного стану досліджуваного сипкого матеріалу. При цьому істинні фізичні властивості можна брати з довідників. На прикладі модельного матеріалу визначено ефективні теплофізичні властивості сипких матеріалів за різного гранулометричного складу та проведено верифікацію розробленої методики. Встановлено, що дані розрахунків ефективної теплопровідності за розробленою методикою відрізняються від даних, отриманих за осередненими теоретичними залежностями, в межах 0,8–9,0 %. Результати дослідження є корисними для числового аналізу в континуальному наближенні теплових режимів процесів та обладнання, де застосовуються сипкі матеріал

Визначення ефективних значень теплофізичних властивостей сипких матеріалів

A procedure has been devised for determining the effective thermophysical properties of bulk materials with different granulometric and material composition, based on the integration of discrete and continuous models of media. The problem on the mechanical-thermal state of a cylindrical layer of bulk material has been stated in order to determine its effective thermophysical properties. Based on the discrete-continuous perceptions of bulk media, an approach has been suggested and a procedure has been devised for solving the problem set. The algorithm for determining effective values of thermophysical properties of bulk materials has been constructed. Numerical implementation of the developed procedure was performed using free open source software (LIGGGHTS, ParaView). The proposed procedure makes it possible to determine effective values for the thermophysical properties of a bulk material (bulk density, effective thermal conductivity coefficient and the effective value for isobaric mass heat capacity) with arbitrary material and granulometric composition. In this case, there is a need for a minimum volume of complex and costly experimental studies with subsequent numerical simulation of the process of the mechanical-thermal state of the examined bulk material. In this case, the true physical properties can be acquired from reference books. Using an example of model material, its effective thermophysical properties have been defined for different granulometric composition and the verification of the developed procedure has been performed. It was established that data on the effective thermal conductivity calculation based on the devised procedure differ from data obtained based on the theoretical averaged dependences, within 0.8‒9.0 %. The reported results are useful for numerical analysis in the continual approximation of thermal modes of the processes and equipment where bulk materials are usedРазработана методика определения эффективных теплофизических свойств сыпучих материалов различного гранулометрического и материального состава, основанная на объединении дискретной и континуальной моделей среды. Сформулирована задача механотермического состояния цилиндрического слоя сыпучего материала для определения его эффективных теплофизических свойств. На основе дискретно-континуальных представлений о сыпучей среде предложен подход и разработана методика решения поставленной задачи. Разработан алгоритм определения эффективных значений теплофизических свойств сыпучих материалов. Численная реализация разработанной методики выполнена с использованием свободно открытого программного обеспечения (LIGGGHTS, ParaView). Предложенная методика позволяет определять эффективные значения теплофизических свойств сыпучего материала (насыпной плотности, эффективного коэффициента теплопроводности и эффективного значения изобарной массовой теплоемкости) произвольного материального и гранулометрического состава. В этом случае необходимо проведение минимального объема сложных и затратных экспериментальных исследований с последующим численным моделированием процесса механотермического состояния исследуемого сыпучего материала. При этом истинные физические свойства можно брать со справочников. На примере модельного материала определены его эффективные теплофизические свойства для различного гранулометрического состава и проведена верификация разработанной методики. Установлено, что данные расчетов эффективной теплопроводности по разработанной методике отличаются от данных, полученных по осредненным теоретическим зависимостям, в пределах 0,8–9,0 %. Результаты исследований являются полезными для численного анализа в континуальном приближении тепловых режимов процессов и оборудования, где используются сыпучие материалыРозроблено методику визначення ефективних теплофізичних властивостей сипких матеріалів різного гранулометричного та матеріального складу, що базується на поєднанні дискретного і континуального уявлень про середовище. Сформульовано задачу механотермічного стану циліндричного шару сипкого матеріалу для визначення його ефективних теплофізичних властивостей. На базі дискретно-континуальних уявлень про сипке середовище запропоновано підхід та розроблено методику розв’язання поставленої задачі. Розроблено алгоритм визначення ефективних значень теплофізичних властивостей сипких матеріалів. Числову реалізацію розробленої методики виконано з використанням вільно відкритого програмного забезпечення (LIGGGHTS, ParaView). Пропонована методика дає змогу визначити ефективні значення теплофізичних властивостей сипкого матеріалу (насипної густини, ефективного коефіцієнта теплопровідності та ефективного значення ізобарної масової теплоємності) довільного матеріального й гранулометричного складу. У цьому разі потрібне проведення мінімального обсягу складних і витратних експериментальних досліджень з наступним числовим моделюванням процесу механотермічного стану досліджуваного сипкого матеріалу. При цьому істинні фізичні властивості можна брати з довідників. На прикладі модельного матеріалу визначено ефективні теплофізичні властивості сипких матеріалів за різного гранулометричного складу та проведено верифікацію розробленої методики. Встановлено, що дані розрахунків ефективної теплопровідності за розробленою методикою відрізняються від даних, отриманих за осередненими теоретичними залежностями, в межах 0,8–9,0 %. Результати дослідження є корисними для числового аналізу в континуальному наближенні теплових режимів процесів та обладнання, де застосовуються сипкі матеріал

Про визначення модуля пружності одношарових вуглецевих нанотрубок методами структурної механіки

Метою статті є відпрацювання та перевірка числових методик визначення модуля пружності одношарових вуглецевих нанотрубок з використанням методу скінченних елементів, а також зв’язку між параметрами молекулярної і структурної механіки. Дослідження проводилося для нанотрубок різних типів просторово-каркасних моделей, а саме типу «крісло» (armchair), типу «зиґзаґ» (zigzag) і типу «хіральна» (chiral). Для побудови моделей нанотрубок зазначених типів розроблено програмні коди у середовищі вільно відкритого програмного забезпечення Gmsh. Розглянуто формулювання лінійних і нелінійних співвідношень для визначення параметрів структурної механіки на основі енергетичних потенціалів та силових коефіцієнтів молекулярної механіки. Формулювання нелінійної задачі дістали певного уточнення в частині визначення співвідношень «узагальнена деформація – узагальнені напруження». Розроблено числові моделі для дослідження модуля пружності нанотрубок різного типорозміру, що представляють собою макроси на мові програмування APDL ANSYS Mechanical APDL. Результати порівняння отриманих результатів показали задовільне узгодження з теоретичними та експериментальними даними: розбіжність з відомими теоретичними оцінками становить 0,08–5,1 %. Запропоновані верифіковані числові методики для визначення модуля пружності нанотрубок у подальшому планується застосовувати для розроблення нових полімерних нанокомпозитів

Про визначення модуля пружності одношарових вуглецевих нанотрубок методами структурної механіки

The purpose of article is working off and check of numerical techniques of definition of the elasticity module of single-walled carbon nanotubes with use of a method of final elements, and also ties between parameters of molecular and structural mechanics. Researches were conducted for nanotubes of various types of spatial and frame models, namely the armchaіr type, the zigzag type and the chіral type. Program codes with use of freely open software of Gmsh are developed for design of models of nanotubes of these types. Formulations of linear and nonlinear ratios for determination of parameters of structural mechanics on the basis of energy potentials and power coefficients of molecular mechanics are considered. The formulation of a nonlinear problem received a certain specification regarding definition of ratios "the generalized deformation – the generalized tension". The numerical models for research of the elasticity module of nanotubes of various dimension-types (chіrality and diameter) representing macroes in the APDL ANSYS Mechanical APDL programming language are developed. Results of comparison of the received results showed satisfactory coordination with theoretical and experimental data: the divergence with the known theoretical estimates makes 0.08–5.1 %. The offered verified numerical techniques for definition of the elasticity module of nanotubes are planned to be used further for development of new polymeric nanocomposites.Целью статьи является отработка и проверка числовых методик определения модуля упругости однослойных углеродных нанотрубок с использованием метода конечных элементов, а также связи между параметрами молекулярной и структурной механики. Исследования проводились для нанотрубок различных типов пространственно-каркасных моделей, а именно типа "кресло" (armchaіr), типа "зигзаг" (zіgzag) и типа "хиральная" (chіral). Для построения моделей нанотрубок указанных типов разработаны программные коды с использованием свободно открытого программного обеспечения Gmsh. Рассмотрены формулировки линейных и нелинейных соотношений для определения параметров структурной механики на основе энергетических потенциалов и силовых коэффициентов молекулярной механики. Формулировка нелинейной задачи получила определённое уточнение в части определения соотношений "обобщённая деформация – обобщённые напряжения". Разработаны численные модели для исследования модуля упругости нанотрубок различного типоразмера (хиральности и диаметра), представляющие собой макросы на языке программирования APDL ANSYS Mechanіcal APDL. Результаты сравнения полученных результатов показали удовлетворительное согласование с теоретическими и экспериментальными данными: расхождение с известными теоретическими оценками составляет 0,08–5,1 %. Предложенные верифицированные численные методики для определения модуля упругости нанотрубок в дальнейшем планируется использовать для разработки новых полимерных нанокомпозитов.Метою статті є відпрацювання та перевірка числових методик визначення модуля пружності одношарових вуглецевих нанотрубок з використанням методу скінченних елементів, а також зв’язку між параметрами молекулярної і структурної механіки. Дослідження проводилося для нанотрубок різних типів просторово-каркасних моделей, а саме типу «крісло» (armchair), типу «зиґзаґ» (zigzag) і типу «хіральна» (chiral). Для побудови моделей нанотрубок зазначених типів розроблено програмні коди у середовищі вільно відкритого програмного забезпечення Gmsh. Розглянуто формулювання лінійних і нелінійних співвідношень для визначення параметрів структурної механіки на основі енергетичних потенціалів та силових коефіцієнтів молекулярної механіки. Формулювання нелінійної задачі дістали певного уточнення в частині визначення співвідношень «узагальнена деформація – узагальнені напруження». Розроблено числові моделі для дослідження модуля пружності нанотрубок різного типорозміру, що представляють собою макроси на мові програмування APDL ANSYS Mechanical APDL. Результати порівняння отриманих результатів показали задовільне узгодження з теоретичними та експериментальними даними: розбіжність з відомими теоретичними оцінками становить 0,08–5,1 %. Запропоновані верифіковані числові методики для визначення модуля пружності нанотрубок у подальшому планується застосовувати для розроблення нових полімерних нанокомпозитів