Numerical investigation of thermal field expansion in fiber reinforced composites.

Abstract

The research is devoted to problems of heat transfer in a multicomponent body with anisotropic therma l properties, such as polymer composite materials wit h fiberfill and other layered systems. Aim: The aim of this study is the determination of a temp erature gradient on a heating surface and the heat trans- fer evaluation between components of a simulated body. Materials and Methods: Analytical modeling methods are complicated by very laborious computations due to an anisotropy of composites stru cture and properties. Numerical simulation methods have a wide to ol package, which allows to avoid many assumptions, to reduce computation time and visualize conclusions. Results: In the paper discussed a thermal field formation of the annular heat source in plane and space dimensions, that allows to evaluate the process of therma l development in single layer of material and in their connecting. Presented results of numerical modeling establish locations of maximum and minimum temperature of the heated body. Thermophysical body anisotropy l eads to asymmetrical distribution of heat. Clearly expressed un dulating temperature profile was detected on the heated surface, moreover, temperature in some sectors of outermost layer significantly exceeds the average temperature of the heated surface. The existence of the described temperature gradient has been confirmed in the previo us experi- mental study of the author. In order to simplify a structure of the model and reduce computation time for following or similar tasks has adopted an attempt to translate the anisotropic body to isotropi c by adjusting of thermal prope rties. The resulting isotropic m odel has a high degree of correlation to the original, but it is less informative and should be corrected by special coefficients

Стаття присвячена проблемам теплоперенесення в багатокомпонентному тілі з анізотропними теплофізичними властивостями , такими як полімерні композиційні матеріали з волокнистим наповнювачем і інші шаруваті системи . Мета : Мета цього дослідження полягає в визна - ченні температурного градієнта на поверхні , що нагрівається і оцінці теплоперенесення між компонентами тіла , що моделюється . Матеріали і методи : Аналітичні методи моделювання ускладнені анізотропією структури і властивостей композиційних мате - ріалів . Чисельні методи моделювання мають широкий інструментарій , що дозволяє уникнути багатьох припущень , скоротити час обчислень і наочно відобразити висновки . Результати : В роботі розглянуто становлення теплового поля від кільцевого джерела тепла в площині і просторі , що дозволяє оцінити процес теплового росповсюждення в одному шарі матеріалу і в їх поєднанні . Представлені результати чисельного моделювання дозволили встановити локації максимальної і мінімальної температур тіла , що нагрівається . Теплофізична анізотропія тіла обумовлює асиметричне поширення тепла . На поверхні , що нагрівається , виявлено яскраво виражений хвилеподібний температурний профіль , крім того , встановлено , що температура в деяких секторах крайнього шару значно перевищує середню температуру поверхні . Існування описуваного температурного градієнта знайшло підтвердження в попередньому експериментальному дослідженні автора . З метою спрощення структури моделі і зниження часу обчислення наступних або подібних задач було зроблено спробу зведення анізотропного тіла до ізотропного шляхом підбору теплофізичних властивостей . Отримана ізотропна модель має високий ступінь кореляції до оригінальної , проте вона менш інформативна і повинна коректуватися спеціальними коефіцієнтами .