SMG-4200 Sähkömagneettisten järjestelmien lämmönsiirto Ehdotukset harjoituksen 4 ratkaisuiksi



Samankaltaiset tiedostot
SMG-4200 Sähkömagneettisten järjestelmien lämmönsiirto Ehdotukset harjoituksen 3 ratkaisuiksi

DEE Sähkömagneettisten järjestelmien lämmönsiirto Ehdotukset harjoituksen 2 ratkaisuiksi

MS-A Matriisilaskenta Laskuharjoitus 3

SMG-4200 Sähkömagneettisten järjestelmien lämmönsiirto Ehdotukset harjoituksen 6 ratkaisuiksi

Epäyhtälön molemmille puolille voidaan lisätä sama luku: kaikilla reaaliluvuilla a, b ja c on voimassa a < b a + c < b + c ja a b a + c b + c.

2.7 Neliöjuuriyhtälö ja -epäyhtälö

Matematiikan tukikurssi

Eksponenttifunktion Laplace muunnos Lasketaan hetkellä nolla alkavan eksponenttifunktion Laplace muunnos eli sijoitetaan muunnoskaavaan

y + 4y = 0 (1) λ = 0

14.1. Lämpötilan mittaaminen

Matematiikan tukikurssi

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Esimerkki 8. Ratkaise lineaarinen yhtälöryhmä. 3x + 5y = 22 3x + 4y = 4 4x 8y = r 1 + r r 3 4r 1. LM1, Kesä /68

13. Ratkaisu. Kirjoitetaan tehtävän DY hieman eri muodossa: = 1 + y x + ( y ) 2 (y )

2 Yhtälöitä ja epäyhtälöitä

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 5, Ratkaise rekursioyhtälö

30 + x ,5x = 2,5 + x 0,5x = 12,5 x = ,5a + 27,5b = 1,00 55 = 55. 2,5a + (30 2,5)b (27,5a + 27,5b) =

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2018 Insinöörivalinnan matematiikan koe, , Ratkaisut (Sarja A)

Sähköstaattisen potentiaalin laskeminen

2.2 Täydellinen yhtälö. Ratkaisukaava

KEMA KEMIALLINEN TASAPAINO ATKINS LUKU 7

(x 0 ) = lim. Derivoimissääntöjä. Oletetaan, että funktiot f ja g ovat derivoituvia ja c R on vakio. 1. Dc = 0 (vakiofunktion derivaatta) 2.

DYNAAMISET SYSTEEMIT 1998

ESTON LASKENTA VERKOSSA

Esimerkkejä derivoinnin ketjusäännöstä

y (0) = 0 y h (x) = C 1 e 2x +C 2 e x e10x e 3 e8x dx + e x 1 3 e9x dx = e 2x 1 3 e8x 1 8 = 1 24 e10x 1 27 e10x = e 10x e10x

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros 5

SÄHKÖSTATIIKKA JA MAGNETISMI. NTIETS12 Tasasähköpiirit Jussi Hurri syksy 2013

Insinöörimatematiikka D

Lyhyt yhteenvetokertaus nodaalimallista SÄTEILYTURVAKESKUS STRÅLSÄKERHETSCENTRALEN RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY

Matemaattinen Analyysi

Tehtävä 1. a) sähkövirta = varausta per sekunti, I = dq dt = 1, A = 1, C s protonin varaus on 1, C

y = 3x2 y 2 + sin(2x). x = ex y + e y2 y = ex y + 2xye y2

Sovellutuksia Pinta-alan ja tilavuuden laskeminen Keskiö ja hitausmomentti

4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Aluksi Kahden muuttujan lineaarinen epäyhtälö

4. Kertausosa. 1. a) 12

monissa laskimissa luvun x käänteisluku saadaan näyttöön painamalla x - näppäintä.

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 11: Lineaarinen differentiaaliyhtälö

l s, c p T = l v = l l s c p. Z L + Z 0

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Kahden lausekkeen merkittyä yhtäsuuruutta sanotaan yhtälöksi.

a) Oletetaan, että happi on ideaalikaasu. Säiliön seinämiin osuvien hiukkasten lukumäärä saadaan molekyylivuon lausekkeesta = kaava (1p) dta n =

x + 1 πx + 2y = 6 2y = 6 x 1 2 πx y = x 1 4 πx Ikkunan pinta-ala on suorakulmion ja puoliympyrän pinta-alojen summa, eli

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 1, Kevät 2018

( ) ( ) ( ) ( ( ) Pyramidi 4 Analyyttinen geometria tehtävien ratkaisut sivu 271 Päivitetty a) = keskipistemuoto.

2 Raja-arvo ja jatkuvuus

2. kl:n DY:t. Lause. Yleisesti yhtälöllä ẍ = f(ẋ, x, t) on (sopivin oletuksin) aina olemassa 1-käs. ratkaisu. (ẋ dx/dt, ẍ d 2 x/dt 2.

HY, MTO / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIa, syksy 2018 Harjoitus 3 Ratkaisuehdotuksia.

Matemaattinen Analyysi

KJR-C2002 Kontinuumimekaniikan perusteet

Luento 9: Yhtälörajoitukset optimoinnissa

f(x, y) = x 2 y 2 f(0, t) = t 2 < 0 < t 2 = f(t, 0) kaikilla t 0.

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

Shrödingerin yhtälön johto

Pythagoraan polku

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

MAY1 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty Julkaiseminen sallittu vain koulun suljetussa verkossa.

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

Maatalous-metsätieteellisen tiedekunnan valintakoe Ympäristö-ja luonnonvaraekonomia Matematiikan kysymysten oikeat vastaukset

Harjoitus Nimi: Op.nro: Tavoite: Gradientin käsitteen sisäistäminen ja omaksuminen.

0 kun x < 0, 1/3 kun 0 x < 1/4, 7/11 kun 1/4 x < 6/7, 1 kun x 1, 1 kun x 6/7,

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

Generoivat funktiot, Poisson- ja eksponenttijakaumat

LHSf5-1* Osoita, että van der Waalsin kaasun tilavuuden lämpötilakerroin on 2 γ = ( ) RV V b T 2 RTV 2 a V b. m m ( ) m m. = 1.

2 dy dx 1. x = y2 e x2 2 1 y 2 dy = e x2 xdx. 2 y 1 1. = ex2 2 +C 2 1. y =

OSA 1: YHTÄLÖNRATKAISUN KERTAUSTA JA TÄYDENNYSTÄ SEKÄ FUNKTIO

Matematiikan tukikurssi

RATKAISUT a + b 2c = a + b 2 ab = ( a ) 2 2 ab + ( b ) 2 = ( a b ) 2 > 0, koska a b oletuksen perusteella. Väite on todistettu.

y 2 h 2), (a) Näytä, että virtauksessa olevan fluidialkion tilavuus ei muutu.

3 TOISEN KERTALUVUN LINEAARISET DY:T

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Laskuharjoitus 4 / vko 40

SMG-4300: Yhteenveto toisesta luennosta. Miten puolijohde eroaa johteista ja eristeistä elektronivyörakenteen kannalta?

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

SMG-4250 Suprajohtavuus sähköverkossa

1. Tasavirtapiirit ja Kirchhoffin lait

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

lnx x 1 = = lim x = = lim lim 10 = x x0

Fourier-analyysi, I/19-20, Mallivastaukset, Laskuharjoitus 7

c) Nimeä kaksi alkuainetta, jotka kuuluvat jaksollisessa järjestelmässä samaan ryhmään kalsiumin kanssa.

= (nopeus) d(impulssi)

A-osio. Ilman laskinta. MAOL-taulukkokirja saa olla käytössä. Maksimissaan yksi tunti aikaa. Laske kaikki tehtävät:

1. Osoita, että joukon X osajoukoille A ja B on voimassa toinen ns. de Morganin laki (A B) = A B.

DYNAAMISET SYSTEEMIT kevät 2000

Hierarkkiset koeasetelmat. Heliövaara 1

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

2 exp( 2u), kun u > 0 f U (u) = v = 3 + u 3v + uv = u. f V (v) dv = f U (u) du du f V (v) = f U (u) dv = f U (h(v)) h (v) = f U 1 v (1 v) 2

Käyttöjärjestelmät: Virtuaalimuisti

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

DEE Sähkötekniikan perusteet

Derivaatat lasketaan komponenteittain, esimerkiksi E 1 E 2

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 12. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 12 () Numeeriset menetelmät / 33

PRELIMINÄÄRIKOE. Pitkä Matematiikka

Laskuharjoitus 7 Ratkaisut

3 Toisen kertaluvun lineaariset differentiaaliyhtälöt

CHEM-A1110 Virtaukset ja reaktorit. Laskuharjoitus 9/2016. Energiataseet

Transkriptio:

SMG-400 Sähkömaneettisten järjestelmien lämmönsiirto Ehdotukset harjoituksen 4 ratkaisuiksi Jatkuvuustilan D-lämpötilajakauma: differenssimenetelmä Differenssimenetelmän käyttämen lämpötehtävien ratkaisemiseen perustuu suljetun tilavuuden tehotasapaoon + =. () out st Differenssimenetelmässä suljettu tilavuus tarkoittaa solmupisteeseen liittyvää tilavuutta. ehotasapaon lauseke kirjoitetaan jokaiselle solmupisteelle erikseen, ja jokaiseen solmupisteeseen liittyy aa jok tilavuus. Nyt tarkastellaan jatkuvuustilan lämpötilajakaumaa, joten lämpötila ei muutu ajan funktiona. Siksi st, joka kuvaa sitä tehoa, jolla eneriaa varastoituu tarkasteltavaan tilavuuteen, menee nollaksi. Oletetaan lisäksi, että verkotetussa alueessa, jossa lämpötilajakaumaa ratkaistaan, lämpövirran suunta on tarkasteltavaa solmua kohti. Siksi myös out, joka kuvaa tilavuudesta lähtevää lämpövirtaa, menee nollaksi. äten jatkuvuustilan tehotasapaoksi saadaan + =, () 0 jossa edustaa tarkasteltavaan solmuun liittyvään tilavuuteen tulevaa lämpövirtaa, ja on tarkasteltavaan solmuun liittyvässä tilavuudessa eneroituva lämpöteho. Merkitään levyn korkeutta k:lla ja syvyyssuuntaista mittaa d:llä. Kun lauseke () kirjoitetaan tehtäväpaper kuvan vasemmanpuoleiselle solmulle, saadaan ( ) + A + Q V = 0, (3) jossa A on poikkipta-ala ja V tilavuus. Kun nämä suureet kirjoitetaan levyn mittojen avulla, saadaan hkd ( ) + kd + Q kd = 0 :(kd) 4 h( ) + + Q = 0. (4) 4 Kirjoitetaan vastaava yhtälö myös tehtäväpaper kuvan keskimmäiselle solmulle: 3 kd + kd + Q kd = 0 :(kd) 3 + + Q = 0. (5)

Koska 3 on tunnettu, lausekkeissa (4) ja (5) on va kaksi tuntematonta. ehtävänä oli ratkaista, joten ratkaistaan jommasta kummasta yhtälöstä ja sijoitetaan toiseen. Kun ratkaistaan lausekkeesta (4), saadaan h( ) + Q 0 + 4 = = h ( ) Q :(/) 4 h( ) Q = 8 h h Q = +. (6) 8 Kun ratkaistaan lausekkeesta (5), ja edelleen :n paikalle sijoitetaan lauseke (6), saadaan + + Q = 0 3 4 = Q :(/) 3 Q = sijoitetaan lauseke (6) 3 4 h h Q Q = + 3 8 4 h h Q Q = + 3 8 4 h h Q Q + 3 = 4 4 h Q 3 o = 36 C. h ämpötransientti: kiteäparametren malli ehtävänannossa maittu termen diffusiviteetti α on lämmönjohtavuuden ja tilavuutta kohti annetun omaislämpökapasiteet osamäärä, joten se saadaan lausekkeesta α =, (7) ρ C jossa on lämmönjohtavuus, ρ tiheys ja C omaislämpökapasiteetti massayksikköä kohti. Kun lausekkeesta (7) ratkaistaan silitysraudan pohjalevyn lämmönjohtavuus, sen lukuarvoksi saadaan 76.9 W/(mK).

ässä tehtävässä on tarkoitus käyttää kiteäparametrista mallia. Kyse on siitä, että kun kappaleen lämpötila voidaan olettaa tasaisesti jakautuneeksi, lämpötilan muutokset ajan suhteen ovat vars ykskertaisesti mallnettavissa. Varmistetaan ens, että kiteäparametrisen mall käyttö on perusteltua tässä tehtävässä. Kiteäparametrista mallia voidaan käyttää, jos oletus lämpötilan paikkariippumattomuudesta on kelvollen. ämän oletuksen pätevyyttä voidaan selvittää Biot luvun Bi avulla, joka määritellään lausekkeella h Bi = c, (8) jossa h on konvektiiven lämmönsiirtokerro ja c tarkasteltavan kappaleen karakteristen pituus, joka suhteuttaa kappaleen tilavuuden siihen kappaleen ptaalaan, jota konvektiolla jäähdytetään. Oletus tarkasteltavan kappaleen tasaisesta lämpötilajakaumasta on pätevä, jos Bi < 0. on voimassa. Silitysraudan pohjalevyn karakteristiseksi pituudeksi c saadaan V 0.005 0.03 c = = = 0.005, A 0.03 joten Biot luku on h c 3.4 0 4 0. Bi = <. äten kiteäparametrisen mall käyttö on perusteltua. Seuraavassa johdetaan kiteäparametren malli lähtien liikkeelle suljetun tilavuuden tehotasapaosta. Suljettu tilavuus on nyt silitysraudan pihjalevy, jonka lämpötila oletetaan siis tasaisesti jakautuneeksi. evyn lämpötila sen sijaan riippuu ajasta Suljetun tilavuuden tehotasapaon lauseke on + = out + st. (9) arkastellaan seuraavassa, mitä lausekkeen (9) eri termit tässä tehtävässä ovat. Silitysraudan pohjalevyssä ei eneroidu lämpöeneriaa, joten saadaan = 0 W. ämpöeneria eneroituu silitysraudan lämpövastuksissa, jotka eivät ole osa pohjalevyä. ehtävässä oletetaan, että 85% vastusten lämpötehosta siirtyy pohjalevyyn. äten saadaan = 0.85*000 W. out edustaa sitä lämpötehoa, joka siirtyy konvektiolla alumiikappaleesta ympäröivään nestetyppeen: out = ( ). Huomaa, että lämpötilaeron on todellak oltava muodossa, sillä lämpövirran suunnan oletetaan termissä out olevan pohjalevystä ympäröivään ilmaan. d st on se teho, jolla pohjalevyys varastoituu lämpöeneriaa: st = ρcv. dt 3

äten lauseke (9) saadaan muotoon out st = + ( ) d = + ρcv dt d ρcv = : ( ρ CV ) dt d + =. (0) dt Kun materiaaliomaisuudet oletetaan vakioiksi, lauseke (0) on ensimmäisen kertaluokan epähomoeenen vakiokertoimen differentiaaliyhtälö, jonka ratkaisemen noudattaa normaalia differentiaaliyhtälön ratkaisusapluunaa. Ratkaistaan ens homoeenen yhtälö, eli merkitään lausekkeen (0) oikealla puolella oleva epähomoeenisuustermi nollaksi: d 0 dt + = = e rt re rt rt + e = 0 :e rt r = ( ) h = D exp t. () ρcv Haetaan sitten epähomoeenisen differentiaaliyhtälön toteuttava yksityisratkaisu. Koska epähomoeenisuustermi ei riipu ajasta, kokeillaan vakioyritettä B lausekkeen (0) yksityisratkaisuksi: db B dt + = B = B =. Koska B saati ratkaistua ajasta riippumattomaksi, kyseen yrite kelpaa yksityisratkaisuksi, joten saadaan ( p) =. () Yleen ratkaisu on täten ( h) ( p) = + = D exp t + ρcv. (3) ohjalevyn alkulämpötila on tunnettu. äten alkuehdoksi saadaan 0 = exp 0 + = + 73 ρcv ( ) D 95 D =. 4

Kokonaisratkaisuksi saadaan = + C V 95 exp t ρ. (4) ehtävässä kysytti sitä ajanhetkeä, jona pohjalevyn lämpötila on noussut 40 o C:een. Kun lausekkeesta (4) ratkaistaan aika, saadaan t = C V 95 exp ρ exp t = ln ρc V 95 t ln = ρc V + 95 ρc V t ln = 5.8 s. + 95 5