автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Моделирование и идентификация процессов теплопереноса с использованием концепции сосредоточенной емкости

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ Институт проблей машиностроения

РГ6 од

На правах рукописи

i ' • ' »

Шерышен Валерий Павлович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ TEUJiOHEPEHOCA С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНЦЕПЦИИ СОСРЕДОТОЧЕННОЙ ЕМКОСТИ

05.14.05 - теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени • доктора технических наук

10

Харьков - 1096

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Институте проблем машиностроения НЛП Украины и Институте теоретической и прикладной математики HAH Республики Казахстан. Научный консультант: член-корреспондент HAH Украины

доктор технических наук, профессор Мацевитый Юрий Михайлович. Официальные опоненты: доктс, -технических наук, профессор

Симбирский Дмитрий Федорович, доктор технических неук, профессор Гаркуша Иван Данилович, доктор технических наук, профессор Маляренко Виталий Андреевич. Ведущая органиаац),: Научно-исследовательский

технологический институт приборостроения, Минпроммаш Украины, г. Харьков.

Защита состоится "_4_" _шоля _ 1096 г. в _14—

часов в аудитории 11 этажа на заседании специализированного ученого совета Д 02.18.03 в Институте проблем машиностроения HAH Украины по адресу: 310046, г. Харьков, ул Пожарского, 2/10. С диссертацией момсло ознакомиться в библиотеке Института проблем машиностроения HAH Украины по адресу: 310040, г. Харьков, ул Пожарского,' 2/Ю-Автореферат разослан У " iMOtiSL* ' 1996 г. Ученый секретарь

специализированного ученого совета Дедко"8 Г .В.

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Моделирование и идентификация тепловых процессов представляют собой два последовательных этапа в решении ряда проблем, с которыми приходится иметь дело при исследовании процессов молекулярного теплопереноса в твердой теле. Этап моделирования включает в себя построение структуры иитематической модели и решение прямой задачи теплопроводности (ПЗТ) по заданным условиям однозначности. На этапе п,>')1 гификации решается обратная задача (ОЗТ), в которой по [х'.-пуль'ттам термометрирорования объекта исследований определяются неизвестные или неточно заданные условия однозначности.

Исследование процессов теплопереноса в системах тел и телах с поверхностными источниками теплоты имеет • фундаментальное теоретическое м прикладное значение. Основные трудности, связанные с проведением таких исследований традиционными методами математического . моделирования обусловлены наличием резких контрастов геометрических

размеров и теплофизическмх характеристик (ТФХ) сосед них одоев, пеоднчродностыо теппературдлх полей и отсутствием

д-к-топери 5Й информации о ТФХ. и условиях теплообмена между . типами и окружающей средой.

Одним иа наиболее ршроЬтрзаеи'лых истодов решения

о - ■

краевых задич теплопроводности ивлгзетс« м&тод иоиечпых. разностей (МКР), заключающийся в переходе от игходиой краевой задачи теплопроводности к ей рааиогтиему аналогу. .

11огр.;Н1нос'1Ь приближения решения исходной аадачи сеточной функцией, определенно»"! в узлах расчетной сетки,

зависит от параметров сетки (ее шагов), температурных градиентов и ТФХ исследуемых тел. Поэтому при интенсивных тепловых воздействиях, когда в теле возникают большие температурные градиенты, и при контрасте геометрических размеров и ТФХ, возникает необходимость в построении густых неравномерных расчетных сеток, что влечет за собой Большие затраты вычислительных ресурсов (объема оперативной памяти и времени центрального лроцеспра), и, что в конечной итоге, предъявляет жесткие требования к средствам вычислительной техники, используемым дня моделирования и оптимизации тепловых процессов. Задачи с такого рода вычислительной жесткостью могут быть успешно решены с применением системного подхода, базирующегося иа концепции сосредоточенно»! емкости.

В дисссертации разработаны методы моделирования и идентификации процессов теплоперекосв и рассмотрены вопросы создания новой информационной технологии теплофизических Исследований, основанной на концепции сосредоточенной емкости и ориентированной на ппиме нение современной цифровой, аналоговой и гибридной вычислительной техники.

Работа выполнялась в отделе моделирования тепловых и механических Процессов Института проблем машиностроения ПАН Украины и в лаборатории математических проблем теории переноса Института теоретической и прикладной математики НА1; Республики Казахстан В период с 1970 по 1096гг. в соответствии < планами научно-исследовательских работ : " Разработка методо > средств идентификации и диагностики технических характернсти! теплотехнических установок и оборудования" (№ кр. 01880010600) " Теплообмен в энергетических установках, технологически:

процессах и объектах радиоэлектроники" (X? г.р. 01910019862), темы № 15, выполненной Институтом теоретической и прикладной математики ПАН РК по постановлению Президиума НАН РК № 3 от 3.04.86 г.; тем, выполненных НПО "Алтайский НИИ технологии машиностроения: АТП-2/50-82- "Разработка математической модели процесса индукционной наплавки с целью его оптимизации" (№ г.р. 01822016076), СВИ-2Б/50-79- "Исследование и разработка мероприятий по совершенствованию технологического процесса индукционной наплавки рабочих органов сельскохозяйственных машин для эффективного использования энергонасыщенных агрегатов" (№ г.р. 7906459),

1Ьу11>47й5г>2М. Создиние на основе концепции сосредоточенной емкости единой методологической базы, 'комплекса методов и средств решения прямых и обратных задач теплопроводности, возникающих при моделировании и идентификации . тепловых процессов, и исследование с их помощью теплопереноса в системах тел с резким контрастом геометрических и теплофиаических характеристик и телах, подверженных интенсивному нагреву поверхностными источниками теплоты.

Основные гадами, Построение математических моделей процессов теплопереноса в телах с поверхностными источниками теплоы и системах тел с резким контрастом 'геометрических характеристик и ТФХ. Разработка метододов: интерпретации результатов измерения нестационарных температур и идентификации тепловых . потоков и теплофизичееких характеристик материалов. Построение иерархических моделей теплопереноса и разработка методов и средств их реализации. Исследование теплопереноса в системах: шихта-металл при

высокочастоном нагреве; полупроводник-диэлектрик' при

активоциошюм отжиге; кристалл-электроды в процессе работы мощных полевых транзисторов. Идентификация процессов теплопереноса при индукционном нагреве металлов, индукционной наплавке твердых сплавов и вктивациончом отжиге полупроводниковых пластин. Оптимизация конструкции полевого транзистора по критерию минимального перегрева

Научнад ротушп. В диссертационной работе получены новые результаты, которые выносятся на защиту. Впервые разработаны:

-новая информационная технология теплофизичесхих исследовании, включающая: метод моделирования тепловых - процессов-метод термически тонкого слоя (МТТС), метод интерпретации результатов измерения нестащгонарных температур-теплофижическос сглаживание, м^тод идентификации тепловых потоков гродиеитио-калориметрического типа И метод идентификации ТФХ материалов;

-иерархические модели процессов теплопереноса, методы и средства их реализации;

-метод идентификации процессов теплопереноса при индукционном нагреве металлов;

-модели теплопереноса в системе шихта-металл при инндукционной наплавке твердых сплавов, в полупроводниковых пластинах и кристаллах при активационном отжиге и в процессе работы мощных полевых транзисторов интегральных схем;

-методы оптимизации процессов индукционной наплавки

. >

твердых сплавов и активационного отжига полупроводниковых пластин;

-метод оптимизации конструкции мощного полевого транзистора; •

-трехслойные измерители-преобразователи теплового потока градиентно-капориыетрического типа;

-метод одновременной идентификации тепловых потоков и теплофизических характеристик материалов по результатам одного нестационарного теплофизического эксперимента.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью математических постановок прямых и обратных задач теплопроводности, рассмотренных в диссертационной работе, устойчивостью вычислительных алгоритмов, использующих законы сохранения, а также- сравнением результатов численного и натурного экспериментов.

Теоретическая ценность работы заключается в создании новой информационной технологии исследования молекулярного теплопереноса в твердом теле, в разработке методов:иерархического моделирования тепловых процессов, метода термически тонкого слоя одновременной идентификации тепловых потоков и ТФХ материалов и теплофизического сглаживания измеренных температур.

Практическая ценность * состоит в эффективности разработанных методов моделирования и идентификации тепловых процессов, основанных на концепции сосредоточенной емкости, отличающихся достаточной простотой реализации, адекватностью и адаптируемостью к конфигурации Используемой вычислительной среды. «

Внедрение • полученных результат«» в практику теплотехнических исследований позволяет достигнуть следующих показателей:

- повышение чувствительности первичных преобразователей

при измерении нестационарных температур;

- определение . температур в точках, недоступных дли непосредственного наблюдения;

. - идентификация тепловых потоков в случае больших значений отношения шум/сигнал;

одновременное определение теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности по данным одного нестационарного Теплофизического эксперимента;

- повышение эффективности обработки теплофизической информации с использованием ПЭВМ и специализированных вычислителей.

Получееныс результаты использовались: в НПО "Алтайский

НИИ технологии машиностроения" (г. Барнаул) при создании

технологии индукционной наплавки деталей почвообрабатывающих

машин и при рввроСотке серии специализированных генераторов

для наплавки, в НИИ Микроприборов (г. Москва) при отработке

технологии ахтивационнога отжито врсенид-галлиевых

полупроводниковых пластин и создании ' установок серии

"Импульс", в Институте металлургии и обогащения ПАН

Республики Казахстан при разработке системы управления

процессом вакуумной пироселекции пслулютп-лм-', чески х

концентратов, в НИИ вакуумных технологий (г. Барнаул) при

'исследовании теялофизических характеристик композиционных

покрытий, нтаучвшшх методом электронно-лучевом наплавки, и

при разработке установки комплексною. определения

1

теплофизических характеристик материалов.

Апррбвдия работы. Результаты работы догадывались и обсуждались на Всесоюзной школе-семинаре "Теплп-мги-еообмен в электрических контактах" (Алма-Ата, 1979г.), на Всесоюзной школе-конференции "Вычислительные методы гтово'Ч ;з;>гкмики и

■гепло-массообмена" (Алма-Ата,1080г.), иа Всесоюзной научно-технической конференции Применение токов высокой частоты в электротермии" Ленинград, 1981г.), на Всесоюзной школе-семинаре "Управление распределенными системами с подвижным воздействием" (Куйбышев, 1083г.), на конференции "Состояние и перспективы упрочнения деталей машин" (Москва, 1086г.), на 3-ей Всесоюзной конференции "Условно-корректные задачи математической физики и анализа" (Алма-Ата, 1989г.), на 1-ой Международной конференции "Идентификация динамических систем и обратные задачи" (Суздаль, 1080г.), на Всесоюзной конференции "Математическое моделирование в онергетике" (Киев, 1900г.), на научно-техническом семинаре "Математическое моделирование процессов и аппаратов" (Иваново, 1960г.), на научно-технической конференции "Проблемы диагностики газотурбинных двигателей и их элементов" (Рыбачье, 1990г.), на конфере»гции "Перспективы развития и применения средств ВТ для моделирования и автоматизированного исследования" (Москва, 1991г.), на Международной конференции "Тепло-и массоперенос в технологических процессах" (Юрмала, 1991г.), на Международном семинаре "Теплоперенос При электронагреве" (Лодзь, 1991г.), на Международном Форуме по тепло-МаесЬПереносу (Минск, 1962г.), на Международном симпозиуме во электрическим контактам (Алма-Ата, 1993г.), на 2-ой , Международной конференции "Идентификация динамических систем и обратные задгРш" (Санкт-Петербург, 1994г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 26 научных работ, из которых одна монография, 18 статей и три авторских свидетельства на изобретения.

¡>см работы. Диссертация состоит . из введения, восьми глав, заключения, списка использованных

источников из 182_ _наименованйй,_ _33_

рисунков,_0_таблиц,_ 2 72_страниц основного текста, трех

приложений, всего 3 2/страниц.

2 СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой гла^е рассмотрены процессы молекулярного теплопереноса в твердых телах и их математические модели; проведен анализ методов и средств моделирования тепловых процессов; дан обзор существующих методов моделирования тепловых процессов и показана целесообразность разработки нетрадиционных методов моделирования и идентификации теплопереноса в те;'чх с поверхностными источниками теплоты и системах тел с резким контрастом геометрических и теплофизических характеристик, основанных на концепции сосредоточенной емкости.

Во второй главе рассмотрено понятие сосредоточенной емкости. Впервые ото понятие было введено А.Н. Тихоновым применительно к исследованию нестационарных тепловых процессов в стержне, на одном из торцов которого помещена сосредоточенная' масса (шар с теплопроводностью, во много роз превосходящей теплопроводность материала стержня). В этой работе сосредоточенная емкость моделировалась граничными условиями . с производной 6т температуры порядка п>, совпадающего с порядком основного уравнения теплопроводности:

л Я'Т

£а~ = /(1)-асТ. ' (1)

„1 &с

Вместе с тем из теории теплопроводности известно, что второй порядок уравнения теплопереноса по пространственной переменной эквивалентен первому порядку по временной переменной. Это обстоятельство было использовано Ю.А.Митроподьмшм, Л.П.Нижником и В-ЛКульчицким при исследовании ими теплового состояния тела, подверженного индукционному нагреву токами высокой частоты. Ими впервые был дан. качественный анализ нелинейных краевых задач теплопроводности с производной по времени в граничном условии. В последствии эти задачи исследовались в работах К. Ректориса и У. ГЛ. Султангазина.

Однако, вышеупомянутые граничные условия с производной по времени не получили широкого распросраненин в задачах моделирования тепловых процессов. Это прежде всего было связано с тем, что при переходе от исходной математической постановки задачи индукционного нагрева к модели с -сосредоточенной емкостью допускалась погрешность, связанная с отбрасыванием тонкого приповерхностного слоя.

При решении же обратных задач теплопроводности, и

особенно задач идеитификш(ии, загрубление, вносимое переходом

к модели с соредоточеиной емкостью, привносит положительный

аффект в устойчивость процесса идентификации по отношеш, к

случайной ошибке измеренных . температур. Это послужило

отправной точкой для введения Ю.М.Мацевитым при решении

о

обратных задач понятия регуляризации загрублением. Именно такая регуляризация позволила применить сравнительно недорогие средства аналоговой и гибридной вычислительной техники к решению широкого спектра прикладных задач.

Задачи идентификации тепловых процессов, как правило, некор}>ектны. Некорректность обусловлена отсутствием непрерывной зависимости их решений от исходных данных. Исследованию некорректных обратных задач теплопроводности посвящены работы О.М-Алифанова, Е-А.Аргюхина, Дж. Века, В. Блакуэлла.ЛА. Коздобы, Ю.М.Мацевитого, Д.4>. Симбирского и многих других отечественных и зарубежных авторов.

В настоящей работе показана корректность пряыой задачи теплопроводности и условная корректность обратной задачи теплопроводности при использовании В постановке этих задач моделей с сосредоточенной емкостью. В данном случае корректность обусловлена тем, что путем перехода от исходной гштемат'мчесхой постановки задачи теплопереноса к модели с сосредоточенной емкостью обеспечивается априорное сужение множества допустимых решений обратной задачи до компактного множества. Попадание на заданный компакт обеспечивается предварительной обработкой исходной информации о температурном поле исследуемого оъектв, использующей 'нгишфизическое сглаживание

Понятие "теллофигическое сглаживание" базируется на инерционности процессов распространения теплоты в твердом теле. Математически это выряжается решением задачи Коти дпп обыкновенного . ¡фференциального уравнения первого порядка:

^•-рГ. =»(!>, 7X0)= Гв. (2)

с/

Здесь £ - неличина услсшиого заглубления точки термометряроеания н исследуемый образец; риф- параметры, определяемые неличиной с, температуропроводностью и толщиной образца.

На практике теплофизическое сглаживание реализуется с помощью инеционного авена первого порядка (аналоговый вариант).

Принципиально теплофизическое сглаживание заключается в следующем. Сначала от исходной математической модели явления теплопереноса осуществляется переход к модели с сосредоточенной емкостью. Измеренная температура поверхности тела отождествляется со среднеинтегральной температурой выделенного в теле приповерхностного слоя толщины 8. Рассматривается тепловое взаимодействие З-слоя (присоединенной массы) с основной мвссой тела При этом для определения теплового потока может быть использовано граничное условие, содержащее производную по времени. Эта производная характеризует тепловую инерцию слоя, что с математической точки зрения сужает область допустимых решений обратной задачи теплопроводности до компакта и делает математическую, постановку задачи идентификации тепловых потоков условно-корректной (корректной по Тихонову).

Третья глава посвящена вопросам построения и реалиции иерархических моделей теплопереноса с сосредоточенной емкостью. Согласно концепции сосредоточенной емкости рассматриваемый теплофизический объект (исходная сложная система) может быть представлен в виде совокупности более простых теплофизических объектов (подсистем), обладающих различными тепловыми свойствами. В качестве основы %пя такого предсталения может быть использовано лонитие термически тонкого слоя. . .

Так, например, пластина может быть представлена совокупностью чередующихся слоев различной термической толщины. Тепловое состояние термически тонкого тела (слоя)

описывается функцией времени, являющейся решением обыкновенного дифференциального уравнения первого порядка (балансное соотношение), в правую часть которого входят тепловые потоки, передаваемые, от соседних обычных в термическом отношении слоев, В свою очередь функции времеш*, являющиеся решениями соответствующих задач Коши, используются в качестве граничных условий первого рода при решении краевой задачи для одномерного уравнения теплопроводности, описывающего теплоперенос в элементарном слое. Здесь осущесвляется пересчет граничных условий первого рода в эквивалентные граничные условия второго роде, т.е. решается тек называемая псевдообратная задача теплопроводности, которая, согласно работам О.М. Алифанова к Дж. Века, является корректной.

Степень детализации исследования процессов теплопереноса позволяет ввести уровни иерархии. Первый уровень-задача Коши (теплоперенос только во временной области, нульмерная модель), второй уровень-первая краевая задача для одномерного уравнения теплопроводности (теплоперенос в пространственно-временной области только вдоль осей абсцисс, ординат или аппликат, одномерная модель), третий уровень- первая краевая задача для двумерного уравнения теплопроводности (теплоперенос в проетрвнсвенно-временной области только в плоскостях ХОУ, ХОг, 20У и т.д., двумерная модель) и т.д.

Разбиение моделируемой области на подобласти и использование иерархических моделей еще не обеспечива. I эфективности вычислительного процесса Повысить оффективность вычислительного алгоритма можно путем рационального выбора способов представления информации в ' каждой структурной

единице модели соответсвухицего уровня. Наибольшего аффекта можно достичь, используя комбинированные аналоговые симуляторы тепловых процессов, персональные ЭВМ, а также методы параллельных и гибридных вычислений.

Предложенный в {»боте подход к построению иерархических моделей теплопереноса с сосредоточенной емкостью позволяет подготовить задачу к решению на многопроцессорных вычислительных комплексах. При этом каждый из представленных уровней иерархии может быть реализован как на базе цифровых, так и аналоговых непрерывных или сеточных процессоров,

Идентификация параметров иерархической системы моделей, является обязательным этапом исследований. В данной главе на примере теплового взаимдействия двух эталонных тел с исследуемым образцом (пластиком, заключенной между двумя эталонными теламл), ТФХ которого неизвестны, показана возможность одновременного определения теплофизических характеристик обрс-аца и внепнтх тч^яоаых воздействий. •

Задача решается с применением дэухурояненевой * иерархической системы моделей с с.ч рэдоточмпюй емкостью. При помощи термич-.скг тонки;. «.-.г» ; тшшрты е эталонные. и иссл«ду.-1«ый обрлз'сц стделыосг- ( ^руг от друга. Два других термически тонких слол 'гмглчи с/отделяют еталогшие тела от пнешней среды. Таилм обраь-.да. осуществляется переход от исходной трехслойно» системы к модифицированной сЭмислойной структуре

Первый уровень иерархической системы моделей теплопереноса представляют четыре задачи Коши вида:

= Ш=Т0, (3)

. ас м

где Т -среднеинтегральная температура термически топкого слоя, Т„ -начальная температуре системы, т=2.

На втором уровне решаются первые краевые задачи:

?:(о./)=гм, тХи)=па1 (4)

1?(*.0)»г„ <7=1.2.3), О

Пересчет измеренных температур а средаемнтегральные температуры термически тонких слоев производится по формуле:

ч<-рг>+ (»-«фС-РОЖО. т

где. /' измеренная температура; , ^ -текущий

момент времени..

Идентификация осуществляется в следующем порядке. Сначала по результатам термометрировакия вычисляются тепловые потоки, проходящие через поверхности от алойных тел. При этом решаются псевдообратныс задачи теплопроводности. После этого решается (задача одновременного определения теплопроводности и удельной теплоемкости образца по идентифицированным на предыдущем этапе тепловым потокам и Измеренным температурам поверхности (вывод о возможной корректной постановке такой . ОЗТ сделан в работах КВ. Муаылева). Погрешность идентификации параметров тешюпереноса ' при этом регламентируется погрешностью интерпретации измеренной температуры

А«, удовд ст во ряющеи

неравенству:

Аи,<(1-ехр(-АЭх))дг, (6)

Где А г -погрешность измерения температуры.

Четвертая глава посвящена разработке методов идентификации тепловых потоков и ТФХ материалоа Для определения локальных тепловых потоков и ТФХ материалов методами обратных задач теплопроводности используются данные о температуре поверхности исследуемых образцов. При контактном измерении температуры, например, с помощью термопары, происходит нарушение первичного температурного поля исследуемого объекта, что является основной причиной возникновения в измерительном сигнале дополнительной аддитивной составляющей. Кроме того по мере прохождения измерительного сигнала по каналам вторичного измерительного прибора на него оказывают влияние шумы, имеющие случайный характер, и являющиеся характеристиками отдельных блоков измерительной системы. Поэтому измерительная информация перед. непосредственным использованием в качестве дополнительной информации о температурном поле при решении задач идентификации должна быть подвергнута предварительной обработке-теплофизическому сглаживанию.

Практическая реализация методов идентификации заключается а разработке первичных измерителей-преобразователей теплового потока. На основе МТТС разработан трехслойный измеритель тепловых потоков • (ИТП) '»»»-" 1а). состоящий из основного (рабочего) слоя 1 и двух термин«, "ки

тонких пластин 2 со встроенными внутрь них датчиками

о

температуры (термопарами А, В). При воздействии на поверхность ИТП измеряемых тепловых потоков 4 и в нем формируется нестационарное температурное поле. По причине того, что слои являются термически тонкими, их температуры не аависят от пространственных координат и определяются средними по их

—Л Вг/м2

80

Б0

АО

20

\

\ 3

\ о 1 1 4 \ / V

! ! Г\ /

б 6

8

>Осю 4.<

Рис. 1. К иэснтификации теплового потен.а:

а — блок-схЕН« процесса ийснтинад.^ции;

результаты чисинногс эксп; рцнг.ти п> опрсйелсни» теплового по то» -а

тол ауте значениями. Зти температуры измеряются термопарами. Пропорциональные измеренным температурам сигналы подаются через усилители 3 на входы аналоговых (2) или цифровых '(5) фильтров 4. Теплофиаически сглаженные измерительные сигналы подаются на вход вычислителя 5, осуществляющего путем реализации модельных уравнений (4) расчет температурного поля рабочего слоя тепломера. После этого сглаженные сигналы дифференцируются устройством 6. Сумматоры 7 реализуют соотношения вида- (3), исходя из которых вычисляются искомые тепловые потоки ^ и

В приложении .•£ работе приведены расчеты! подтверждающие эффективность процесса идентификации локального теплового потока, основанного на концепции сосредоточенной емкости. Проведено исследование' влияния частоты и амплитуды аддитивной синусоидальной помехи на процесс идентификащт. На рис. 16 представлены результаты одного из таких экспериментов. Здесь использовано аналитическое решение второй краевой задачи теплопроводности. Кривая 1- -исходное значение теплового потока, 2 - результат идентификации теплового потока по точным значениям измеренных температур, 3 и 4 результаты идентификации теплового потока по зашумленным и сглаженным данным.

Метод термически тонкого сдоя оказывается эффективным также в решении задачи одновременной идентификации ТФХ материалов X и с по результам одного теплофизичесного эксперимента (с теоретической точки зрения этот вопрос рассмотрен в третьей главе).

Перед началом измерений формируется многослойная система, включающая исследуемый обролец п Доя прилегающих к

нему вплотную трехслойных тепломера. Система помещается, в тепломзмермтельную ячейку с управляемыми нагревателями. . Осуществляется предварительная настройка блока управления нагрепыателяии, приведение усилителей, сглаживающих фильтров и вычислителей теплового потока в исходное состояние. После Втого система переводится в активны»! режим измерений.

Сигналы от первичных измерителей температуры (термопар) с выходов теплойзмерительно. ячейки поступают на входы усилителей и черев сглаживающие фильтры, реализующие теююфизичесхое сглаживание, передаются на вхо&ы вычислителей, осуществляющих идентификацию тепловых потоков. Далее по измеренным температурам и вычисленным тепловым потокам осуществляется определение ТФХ исследуемого образца Устройство правления нагревателями на основе заданных программ Изменения температуры и теплового потока во времени осуществляет выработку управляющего- сигнала и его передачу иа вход блока управляемых нагревателей. Нагрев осуществляется в соответствии с программой нагрева, приведенной на рис. 2, что позволяет при идентификации ТФХ, зависящих от температуры, пользоваться линейным иа каждом из рассмотренных температурных интервалов уравнением теплопроводности. Но окончании нагрета сигнал начала вычислений передается блоку управления вычислительным процессом, в котором собственно и

вычисляются искомые ТФХ материалов X и с.

■ ' - \

Еще раз отметим, что существенную роль при этом играет понятие термически тонкого слоя. Под таковым понимается слой,

изменением температуры которого по его толщине вследствие его

*

малой толщины или большой теплопроводности можно пренебречь.

.т

T¿

То

—

"Тгюб

£ гТч

—

^О ti k} t}

tn-зtn-3tn-xtn t

4'

Ir

\ I - ~ NI

ГШ

to tx tz te U

1-3 tn-2 tn-l^n t

б

?

Рис". 2. Программа нагрева: а — изменение температуры; 6 — измеыЕМйе теплового пЬтокв.

В главах с пятой по восьмую включительно показана эффективность применения моделей с сосредоточенной теплоемкостью к исследованию и оптимизации процессов теплопереноса в системах тел с резким контрастом геометрических размеров И ТФХ, а также в телах, подверженных интенсивному нагреву поверхностными источниками теплоты.

Пятая глава посаюцепа исследованию процессов теплопереноса в металлах )ри высокочастотном нагреве. Особенность нагрева металлов токами высокой частоты заключается в наличии поверхностного аффекта, обуславливающего концентрацию внутре1ших тепловых источников вблизи границы нагреваемого участка тела. Тепловые источники в пределах достаточно тонкого приповерхностного Б-слоя убывают по экспоненте. Оста т.лап часть металлической заготовки прогревается за счет теплопроводности.

Пр1 исследовании тепловых процессов • индукционного нагрева могут быть поставлены две задачи теплопроводности: прямая и обратная. В прямой задаче по заданным геометрическим размерам, ТФХ, условиям теплообмена на поверхности и напряженности магнитного поля требуется определить распределение поля температур. В случае нагрева бесконечно протяженной пластины в поле плоской электромагнитной волны прямая задача индукционного нагрева (математическая модель электрических и тепловых процессов) формулируется следующим образом:

аД дх) (V дх е

6Т дх

dfí Jx

-О

i.o &

= а(Г-Г0),Ги=Г0, (7)

J-0

где р- удельное электрическое сопротивление, р-магнитная проницаемость, Н-напряженность магнитного поля, X-теплопронодность, с-удельная теплоемкость, Т-температуры, а-коэффициент теплоотдачи, Н„, -напряженность магнитного поля на поверхности пластины, 1-толщина пластины, Т0 -температура окружающей среды.

Решение; задачи (7) методом конечных разностей связано с преодолением трудностей вычислительного характера, обусловленных вычислительной жесткостью модели взаимосвязанных электрических и тепловых процессов, протекающих в металлах при индукционном нагреве;- поскольку в S' -слое плотность распределения тепловых источников убывает по экспоненте, то для их адгкватногр представления должна. применяться неравномерная расчетная сетка, или равномерная, но с малым шагом А по простраясгилшюй переменной.

В этих условиях пр'лг'.ом.-реи переход к упрощенному представлению исследуемого процесса е лоа:оц),ыо модели с сосредоточенной емкостью, которая в данном случае имеет вид:

cbTi + ^Р(А х = '(8)

дТ дх

= 0, t>0; Т|,.0 = Г0

Здесь . Р(4)-удельная мощность Тепловых источников, определяемая соотношением:

КО^рнЩЪЛ (Р)

Очевидно, что модель теплопереноса вида (0) значительно проше исходной математической модели (7), что способствует ее эффективной численной реализации с помощью МКР.

Преимущества моделей с сосредоточенной емкостью особенно ощутимы при решении вадач идентификации тепловых источников. В обратной задаче индукционного нагрева по (заданным условиям однозначности и дслсшштеяьйой информации о температурной поле (например, по темперетуре поверхности нагреваемого образца} требуется определить недостающие условия однозначности (напримар, плотное«» теплового потока, или внутренние тепловые источники, однозначно связанные с амплитудой напряженности магнитного поля на поверхности). Решение обратной задачи предполагает наличие измерительной информации о температурном' поле исследуемого объекта. Поскольку любой процесс намерений сопровождается наложением на нолеагый сигнал различного рода помех и случайных ошибок, то перед использованием результатов измерений в качестве дополнительной информации для решения обратных задач тр^буетеи их предварительная обработка, котор-ап осуществлена в роботе методом теплофи®1Ческого сглаживания.

Приведены результаты численного восстановление напряженности магнитного ноля на поверхности плоской стальной пластины при ее нагреве токами высокой частоты, которые «шляются подтверждением эффективности предложенного метода идеитифшЕации.

Численный эксперимент проводился в следующем Порядке. Сначала по заданной на поверхности пластины напряженности магнитного пиля //„, путем решения задачи (7) определялось температурное поле пластины. Затем температура ее поверхности T{l,t) использовалась в качестве дополнительной информации при решении ОЗТ на основе модели с сосредоточенной емкостью (8). При этом функция H(í) восстанавливалась с погрешностью 3% на сетке с шагом h=5> 10" 5м, и с погрешностью 6%-на сетке с шагом h=5 10 м. Далее на функцию, моделирующую измеренную температуру накладывалась аддитивная синусоидальная помеха единичной амплитуды с частотой to=50. Погрешность идентификации при этом возрастала до 100%. Однако применение к "результату измерения" тешюфизического сглаживания (формула (5)) вновь возвращало погрешность идентификации к прежнему уровню 3-6%.

В шестой главе рассмотрены вопросы моделирования, идентификации и оптимизации те лл оперен ос г* в системе шихто-метапл при индукционной наплавке. Индукционная наплавка твердых сплавов широко применяется в различных машиностроительных отраслях промышленности для восстановления и упрочнения деталей ыешин. Отлкчио отого процесса от традиционных (поверхностной эчкялкм. и сквозного нагрева заготовок) заключается в наличии высоких температур (выше температуры точки магнитных превращений) и двух подвижных границ (границы металла, нагретого выше точна Кюри и границы плавления твердого сплава), что делает моделирование данного процесса с помощью традиционных методов практически неосуществимым. В этих условиях модели с сосредоточенной емкостью являются эффективным и по существу единственным

средством моделирования процессов теплолереноса в системе шихта-металл пр1 индукционной наплавке.

Для исследования процесса наплавки, также как и в предыдущем случае, построена модель алектрических и тепловых процессов и от нее осуществлен переход к модели с сосредоточенной емкостью. При этом под шихтой понимается некоторое квааиоднородвое изотропное тело с ¡эффективными параметрами теплолереноса.

Для упрощения анализа весь процесс раздел нет с я на три основные стадии: а) нагрев до точки Кюри; б) нагрев до температуры плавления твердого сплава; в) нагрев до полного расплавления шихты.

Анализ процессов теплопереноса в приближении сосредоточенной емкости позволил .получить простые расчетные формулы ' для идентификации удельной мощности тепловых источников. Они имеют вид:

• т - сиъи - ^+а(гА, - щ »о

ш &с

^»»А^ + Х^-А (П)

¡и ск да

/ ^ 4 * "З

& ЛА)

(12)

где пндякс "М"от1'ссит соответствующую величину к металлу, мпд£.чг "6" - к ш ¡хте, -4, - скрмтея теплота плавления, ,у(0 - фронт расплава, Г3 - ч емпература средней подвижной точки чераспл&вившс.йся шихтк, 1.:ияющпяся ^пением уравнения:

где Г0 - температура подвижной точки в момент поппления жидкой фааы шихты. • -

При идентификации процесса индукционной наплавки решена следующая ОЗТ: по измеренной температуре контакта шихта-металл (рис. За) определена удельная мощность тепловых источников Р(1) (рис. 86). По разработанной методике может быть осуществлена также идентификация тепловых потоков, отводимых теплопроводностью в шихту и металл:

Вычисления проводились дня стальной детали толщины б мм, на поверхность которой нанесен слой шихты толщины 3 мм, по формулам (10), (И). При этом использовались следующие значения параметров: Вт/м/К, = Ю7 Дж/мЗ/К, /=440 кГц; Ад,(Г) = 1.8- 1.72 х Ю-'Г+ 21.97*, см(Г) = 0.392 х 107 + 0.5 х 105Г+ 5.29Г2.

При переходе температуры поверхности контакта шихта-металл через точку Кюри (7^ = 1023 К) и через точку плавления шихты (Г = 1473АГ) теплофизические характеристики соответствующим образом корректировались.

Простейший анализ экспериментальных данных (рис. За) показывает, что при нагреве выше точки Кюри происходит резкое замедление скорости нагрьва, вызванное уменьшением удельной мощности тепловых источников. Это является следствием того, что стальная деталь переходит из магнитного в немагнитное состояние (ее относительная магнитная прницаемость резко падает до единицы).

Поскольку термический КПД процесса нагрева магнитных деталей выше, чем немагнитных, то целесообразно как Можно более равномерно но толщине прогреть деталь до перехода в нкмгнитное состояние.

Рис, 3. Результат идентификации процесса индукционной наплавки; а — экспериментальная кривой изменения температуры поверхности шихта-металл; б - удельная мощность теплоеыг, источников

Исходя из этого положения па основе анализа процессов теплопереноса в приближении сосредоточенной емкости в работе сформулирована оптимальная стратегия управления: режим наплавки будет рааци опальным (близким к оптимальному) при выполнении следующей последовательности действий: 1. быстрый нагрев при максимальной мощности до точки Кюри; 2. первая изотермическая выдержка; 3. быстрый нагрев до температуры плавления твердбго сплава; 4. вторая изотермическая выдержка. Суммарное время нагрева процесса наплавки, а следовательно и его энергоемкость при таком (рациональном или субоптимальном) режиме уменьшается.

В диссертации разработаны алгоритмы идентификации параметров моделей с сосредоточенной емкостью, и изложены принципы построения систем контроля и управления индукционной наплавкой с идентификатором.

В седьмой главе Модели с сосредоточенной емкостью используются для анализа тепловых процессов в системе -полупроводник-диэлектрик при ахтивационном _ отжиге арсенид-галлиевых пластин. Этот процесс Г широко используется в микроэлектронике при формировании областей различных типов проводимости.

Поскольку отжиг осуществляется при температурах порядка 1000-1100 К, то с целью предотвращения термического разложения пластина предварительно покрывается тонким слоем диоксида кремния.

Процесс формирования областей п-типа проводимости в приповехностном слое арсенид-галлиевой пластины осуществляется в два этапа: на первом методом ионной * имплантации о приповерхностный слой осущесиляется внедрение.

примеси (например, кремния), на втором с помощью высокотемпературного отжига осуществляется устранение дефектов кристаллической решетки полупроводника и электрическая активация ионов внедренной примеси.

В прорцессе отжига ионы примеси должны быть равномерно распределены по толщине модифицированного слоя, а вынос примеси за пределы этого слоя должен быть минимальным. Соответствием этим требованиям определяется качество полупроводниковых пластин и приборных структур на их основе.

Отжиг осуществляется с помощью инфракрасного излучения галогенных кварцевых ламп. Плотность внутренних тепловых источников при этом резко убывает в приповерхностном тепловыделяющем слое и определяется длинной волны и характером взаимодействия излучения с веществом. Толщина полупроводниковой пластины составляет величину порядка 100-400 мкм, а плотность тепловыделения уменьшается до пренебрежимо малого значения в пределах слоя толщины порядка 10-20 мкм.

Резкое различие в геометрических размерах и теплофизических характеристиках пластины м слоя диэлектрика, а также эхпоненциальное убывание плотности тепловых источников внутри 8-сушя делают проблематичным исследование теплопереноса с помощью традиционных методов математического моделирования тепловых процессов. Кроме этого осложняющим фактором является необходимость моделирования процессов массолереноса, сопровождающих активационный отжиг.

Поэтому,"как й в случаях индуционного нагрева и наплавки здесь правомерен переход к упрощенному представлению процесса теплопереноса в форме модели С сосредоточенной емкостью:

с(Т)

О<х< /, />0,

о1 дх

дТ дх

= 0. «>0; П.. =

Обозначения: с(70= Гс, + 5с,, Г-толщина слоя диоксида кремния, 5-толщина тепловыделяющего слоя;

к(Г)= к(Т)+Л-эффективная теплопроводность, X-

дополнительная составляющая теплопроводности, ровная нулю за пределами 8-слоя, Х(Г)-монотонно убывающая от 30 Вт/(м К) при, 300 К до 0.1 Вт/(м К) при 1200 К функция температуры. При температурах выше 1200, К теплопроводность арсенида галлия практически не меняется.

Процесс массопереноса регламентируется .температурой поверхности полупроводниковой пластины. Его математическая модель имеет вид:

£у

а/

0<х<1, />0,

(16)

дх

1-0

= 0, V > 0; <., = 0; у|„в = у4(*>,

Здесь ДТ)-эффективный коэффициент, учитывающий все механизмы диффузии, определяемый соотношением: • О(Т)=В0ехр{~АЕ ЦкТ)), где ¿»(.-коэффициент диффузии приГ-»0, ¿^-энергия активации, к -постоянная Больцмана, у-концентрация примеси, уо(т)-началыюе распределение примеси:

»-о

У,(дг)=Ушвелр[-(*-^),/(2ДЛ^)]. О<х<:1, (16)

где ¿¿»-проецированный пробег ионов примеси; ДЛР-среднеквадратичное отклонение пробега от его среднего значения; у,_-максимальная концентрация примеси, определяемая

Ф

соотношением: у_, = где Ф -доза имплантированной

примеси.

В работе исследован отжиг арсенид-галдиевой пластины, имплантированной примесью с - аффективным коэффициентом диффузии Результаты исследований,

приведенные на рис. 4а,б, свидетельствуют о возможности сокращения времени отжига при управлении измененной удельной

мощности теплового потока в соответствии с субоптимальиой

«

прогаммой нагрева

Действительно, если формальным критерием качества активационного отжига пластин является равномерное распределение ионов по толщине активного слоя при минимуме массы примеси, .вынесенной за. его пределы, то при Р=со^ приемлемое распределение концентрации примеси достигается аа Бс,' в то время как. такое 'же распределение при Р- Рор1{1) достигается аа 2,9 с.

Диффузионное размытие профиля внедренной примеси тем больше, чем дольше пластина находится под воздействием высоких температур. Поэтому постимплантационный отжиг должен осуществляться в два втапа; 1) быстрый нагрев до максимальной температуры при максимально допустимой (возможной) мощности; 2) »геотермическая выдержка, осуществляемая с целью выравнивания концентрации примеси по толщине активного слоя.

мощности.; б - при субоптимальном законе изменения удельной мощности

Скорость нагрева на первом этапе регламентируется величиной допустимых те р^зон ал ряжений. И, поскольку при большей температуре допустим меньший градиент, то оптимальная стратегия управления процессом может содержать несколько участков быстрого нагрева и изотермического отжига

. В смысле оптимизации теллопереноса иктивщдоонный отжиг сходен с процессом индукционной наплавки твердых сплавов. Схожи и методы реализации оптимальной стратегии управления. Кроме того, как в первом, так и во втором случае, значительного эффекта по сравнению с традиционными методами моделирования удается достичь за счет применения методов моделирования и идентификации, основанных на концепции сосредоточенной емкости.

В этой главе рассмотрены также двунерние модели активационнрго отжига с сосредоточенной емхотью и методы идентификации, основанные на их анализе.

Восьмая глава посьлщена вопросам моделировании и оптимизации процессов теплоперевоса в структурах мощных многосекциошшх целевых ттинзисторов ни арссниде галлин.

Важнейшим этапом доираЗогки мощных

сверхвысокочастотных и импульсных псаня-из транзисторов на арскниде галлия является поиск их елти«;;--.ьних но юпловьш характеристикам, структур (геометрии и ссч.-1ношанин замеров кристалла полупроводника, металлических электродль «сю, истока и затвора и теплоотводов), .обеспечивающих минимальный перегрев активных областей пр! максимальной мощности.

Мощные полевые транзисторы (ИТ) на арсениде галлия и интегралыме схемы на их основе представляют собой элементную базу современной сверхвысокочастотной радиоэлектрош«®!. Их

мощность составляет величину порядка десятков Ватт. Повышение частоты с одновреметплм увеличением рассеиваемой ПТ мощностью связано с необходимостью предельной миниатюризации их активных областей (каналов), что приводит к чрезвычайно высокой плотности распределения тепловых источников (0.5-2 кВт/мм').

Если конструкция ПТ не обеспечивает в полной мере отвод выделенной тетуюты, то неизбежны локальные перегревы, ухудшение электрических параметров и отказ транзистора. Поэтому важнейшим этапом разработки мощного сверхвысокочастотного или быстродействующего импульсного ПТ является поиск оптимальной по тепловым параметрам структуры, выбор рационального сочетания геметрических размеров кристалла полупроводника, металлических электродов • и теплоотводов, а также материалов электродов и теплоотводов. Эта задача может быть эффективно решена при условии ь^иМенения методов математического моделирования.

На рис. 5а представлена структура мощного>многосекционного полевого транзистора, содержащая от 6 до 12 параллельно соединенных транзисторных структур с металлическими электродами истока, стока и затвора.

. Выделение в ПТ • тепловой мощности обусловлено протеканием рабочего тока - в цепи сток-исток При- этом практически вся теплота выделяется в зонах каналов, которые представля/ >т собой узкие приловехносгные зоны полупроводника Типичные размеры каналов вдоль оси ОХ составляют величину порядка 0.05-2мкм, вдоль оси ОУ-О.4 - 2мкм, вдоль оси ОЪ - 100-200мкм. Геометрическая форма, каналов делает правомерным предположение о том, что практически вся выделенная теплота

3*3

;| . Рис. 5

К расчету тЁплопсреноса р посевом транзистор«:: а — многреккционный транзистор: 1 — затвор, 2 ~ исток, 3 —■ сток, 4 — пол9прово9ник. 5— теп-лЬотваЗ; б — расчетная область

сосредоточена (локализована) на границе раздела между кристаллом полупроводника и металлом электрода (затвора).

Относительно большая протяженность секции ГГТ вдоль электродов ( направление оси 07) и малые размеры секции в плоскости ХОУ, а также вертикальный характер теплолереноса от канала, расположенного на верхней поверхности секции, к подложке, выполняющей роль теплоотвода, определяют для близких к центральной части секций двумерный характер теплолереноса в плоскости ХОУ, и, соответственно, делают правомерной постановку двумерной краевой задачи теплопроводности:

= ^ = 0,у*у„ (17)

ду ду

аг ду

Здесь "р"-полупроводник, "ы"-металл, ^-толщина 5-го учасиса электрода '(/ = 1,л; п~ 10), и-число участков, ^-мощность т('!!лоны деления, -равно единиц«:' только под затворным электродом. В остальных случаях V/ = 0.

В нестационарном случае решается уравнение:

д! м с«" ¿>зч * /

д! ''"У. ах ) Ъу\ • ду а граничное условие при >' = V, ¡»меняется на условие с производной по времени пида:

Аналогичные условия выполняются также и на остальных границах области. Полоска материала полупроводника толщины ^

использована для построении балансного соотношения (10) с цепью упрощения процедуры построения разностной схемы втрого порядка точности по пространственной переменной. При этом должны использоваться также условия согласования граничных условий в угловых точках области G (рис. бб). Для левой верхней угловой зоны области G условие согласования имеет и ид:

А, дТр fh h2. \дТР { , Л, УГР . .

= ~zxu + -—Ср —- + —-. * = 0. y-D, (20) . 2 р ду U 4 P)dt \l " 2 f) дх

'С помощью разработанных в диссертации моделей тенлопереноса исследовано тепловое состояние трех конструкций транзистора: базовой, имеющей толщйну 400мкм, и двух других: с толщиной ЮОмкм и с такой же толщиной, но с дополнительным теплоотводом, выполненным гальваническим осаждением металла в сквозном отверстии пластины (дополнительный теплоотвод расположен на стыке двух соседних секций транзистора вдоль гршпщы у=уп, рис. бб).

Анализ результатов численного эксперимента позволил сделать следующие выводы: 1) существенно двумерный характер теплопереноса в верхних (0<х<20мкм) областях транзистора подтверждает обоснованность синтеза двумерной тепловой модели; 2) максимальная температура области канала п -ИТ соответствующих конструкций (2^=487,^^399,2^=330) при одинаковой рассеиваемой мощности 3 Вт в каждом канале указывает ' на соответственно умеренную и высокую эффективность утончения подложки и введении дополнительного вертикального теплоотвода; 3) дополнительный чч-нл.-штвод отводит

почти весь тепловой поток в ПТ третьей конструкции; 4) значительный перегрев ГГГ базовой конструкции усугубляется уменьшением теплопроводности арсенида галлия с ростом температуры.

В работе проведен анализ тепловых режимов трех вариантов конструкций: транзистор с обычной толщиной подложки (полупроводниковой пластины), транзистор с утонченной подложкой и 'транзистор с утонченной подложкой и дополнительным металлическим теплоотводом. Показано, что оптимальной в смысле минимального перегрева активных элементов конструкцией является конструкция транзистора с утонченной подложкой и дополнительным теплоотводом.

В случае многослойных электродов и теплоотводов эффективные параметры теплопереноса ' вдоль границ полупроводниковой области определяются соотношениями:

Г = Ьк + 5СрЛ+ ьз,,

/-1 /-1 £ = §+ ^ + *-8/>•

/-' /-г

Здесь ^-количество слоев многослойной металлизации электродов, ЛГ^-количество слоев многослойного вертикального теплоотвода, "М" - металл, "Р" - полупроводник.

Оптимизационная задача для многослойной конструкции ставится в следующей форме. Дпя заданного уровня удельной мощности тепловыделения требуется определить такие ТФХ

(параметры с~{с,с), X = (х,Я)), при которых будет обеспечено

минимальное значение максимального перепада; температур В

транзисторной структуре на протяжении всего периода работы транзисторе. При этом осуществляется минимизация функции:

.Гшм) = пшчпах!Гюи - Т^ | (21)

по всем X , с, удовлетворяющим неравенствам:

^ X < Л.___„_

в» (22)

Лап <с< Лшх ■

При этом температурное поле должно удовлетворять ограничениям: .

Тша<Тта, &*а<1Т<(#гас1Т)тах. (28)

. Оптимизационная задача может быть поставлена и иначе: для заданной конструкции ПТ требуется определить значение эффек.-ивных параметров теилопереноса, изменяющихся в пределах, определенных неравенствами (22), и максимально допустимое значение рассеиваемой мощности Рю. Температурное поле при этом должно удовлетворять ограничениям (23).

; ' В результате' решения сформулированных в данном разделе оптимизационных задач осуществляется оптимальный по тепловым характеристикам синтез структур ПТ с многослойными электродами и теплоотводами.

8 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

В работе исследованы особенности протекания процессов теплопереноса в системах тел с резким контрастом геометрических размеров и ТФХ и телах при интенсивном тепловом воздействии на Их поверхность. Показано, что математические модели таких процессов обладают свойством вычислительной жесткости, что затрудняет, а в ряде случаев делает практически неосуществимой их реализацию с помощью традиционных численных методов

(например, МКР). Исходя из этого сделан вывод о необходимости разработки новых методов моделирования и идентификации тепловых процессов, традиционные математические модели которых обладают вычислительной жесткостью.

Для решения таких задач на основании концепции сосредоточенной емкости е исползоввнием системного подхода создана единая методологическая база, комплекс методов и средств решения прямых и обратных задач теплопроводности, возникающих при моделировании, идентификации и оптимизации процессов теплопереноса в сложных тешюфизических объектах современной техники и технологии. .

Основные результата! диссертационной работы заключаются в следующем;

1. Разработан метод теплофизического сглаживания измеренных температур.

2. Построены иерархические модели процессов теплопереноса и дай анализ способов их реализации с помощью средств современной вычислительной техники.

3. Разработана методика синтеза универсальных комбинированных аналоговых симуляторов тепловых процессов.

4. Предложена методика одновременной идентификации ТФХ 1-итериалов и внешних тепловых воздействий.

5. Разработан метод термически тонкого слоя, на основе которого созданы принципиально новые измерители-преобразователи теплового потока градиентно-калориметрического типа и многослойные теплоизмерительные ячейки, предназначенные для одновременного определения , теплопроводности и теплоемкости исследуемого материала.

6. Разработаны математические модели тепловых процессов с сосредоточенной емкостью, описывающие теплоперенос: -в металлах при индукционной закалке деталей машин;-» системе шихта-металл при индукционной наплавке твердых сплавов;-в системе полупроводник-покрытие при активационном отжиге врсенид-галлиевых полупроводниковых пластин;-в системе кристалл-электроды мощных полевых транзисторов интегральных схем в процессе работы полупроводниковых приборов;-в многослойных теплоизмерительных ячейках калориметров и измерителях-преобразователях теплового потока.

7. Создан комплекс методов и средств идентификации параметров теллопереноса при анализе теплового состояния загрузки индукционной нагревательной системы в процессах закалки и наплавки.

«

В- Разработан способ, идентификации напряженности магнитного поля по температуре поверхности нагреваемого образца.

0. Сформулирована оптимальная стратегия управления процессами индукционной наплавки твердых сплавов и вктивациогаюго отжига полупроводниковых пластин.

10. С помощью численного эксперимента на ЭВМ получена оптимальная по критерию минимального перегрева конструкция мощного ареенид-г&ллиевого полевого тршззистора и предложена методика оштезв оптимальных по тепловым характеристикам транзисторных структур , с многослойными электродами и теплоотводами.

Численный- эксперимент, проведенный для широкого . диапазона частот и амплитуд случайной составляющей ошибки измерении нестационарных температур (результаты численного эксперимента приведены в автореферате (рис. 16) и в приложения

к диссертации), показал необходимость применения

теплофизнческого сглаживания при решении задач « идентификации тепловых процессов..

Результаты, представленные в диссертационной работе, позволяют сделать вывод об эффективности применения методов моделирования и идентификации, . основанных на концепции сосредоточенной емкости, к исследованию процессов теплопереноса в системах тел с резким контрастом геометрических характеристик и ТФХ и телах с поверхностными источниками теплоты

4 ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ опубликовано а работах:

1. Ержанов РЖ, Кремлев В.Я., СултангазинУ.М., Шерышев В.П Синтез граничных условий одного класса математических моделей функционально-интегрированных полупроводниковых структур// Вестник АН КазССР.-1979.-№10.-С.54-60.

2. Султангазин У.М.,Шерышев В.П. Решение задачи индукционного нагрева методом квазилинеаризации/ Дифференциальные уравнения И их приложенил,-Алма-Ата.-1981 .-с. 169-173.

3. Шерышев В.П, Панкратова И.Н., Тимошенко В.П и др. Расчет теплофизических характеристик шихты по данным натурного эксперимента/ Аналитические и численные методы решения задач ь'лтематики и механики.-Алма-Ата:Наука,1984.-С.10-15.

4. Султангазин У.М., Шерышев В.ППанкратова И.Н. Численно-, налитическое решение задачи о распространении плоской электромагнитной волны в линейной слоистой среде на

ферромагнитной подложке// Изв.АН КазССР.сер.фиа-матем.-1 D82-JVs5.-C.32-36. ' Б. Султангааин У.М., Воль A.A., Шерышев В.П. Об одном методе решения задачи управления процессом индукционной наплавки/ Численные методы решения задач математической физики и оптимизации.~Апма-Ата.-1982.-С.З-П.

6. Шерышев В.П. Управление нагревом системы шихта-деталь в процессе индукционн iü наплавки// Вестник АН КазССР.-1083.-№4.-С.45-51.

7. Шерышев В.П, Панкратова H.H., Тимошенко В.П. и др1 Расчет теплофиаических характеристик шихты по данным натурного эксперимента/ Аналитические и численные методы решения задач математики и механшо!.-Алма-Ага:Наукв,1В84-С.]0-15.

8. Султангааин У.М., Ержшшв РЖ., Шерышев В.П. Применение математической модели типа сосредоточенной теплоемкости к анализу электрических характеристик функционально-интегрироваиных полупроводниковых структур интегральных схем// Изв.АН КазССР.Серфиа-матем.-1985.-№3.-С.85-89.

Ô. Боль A.A., Коваль В.Н., Тимошенко В.П., Лесков C.IL, Шерышев

B.П. Оптимизация • процесса индукционной , наплает«и//Изв.сиб.отд-ния АН СССР.Сер.техн.-1085,-Вып.2.-

C.86-Ô2.

10. Султангааин У.М., Щерьпиев В.ПОпределение напряженности магнитного поля по температуре поверхности нагреваемого

х .образца 1. Однослойная металлическая пластина// Изв.АН КазССР.Сер.Физ.-матем.-Ш6.-№1.-С.58-64.

11. Султангазин УЖ, Ержанов Р.Ж., Шерышев В.П., Мартьянов C.B. Моделирование стационарных процессов теплопереноса в

структурах мощных сверхвысокочастотных полевых транзисторов// Вестн.АН КазССР.-1987.-№12.-С.23-29.

12. Шерышев В.П. Моделирование и оптимизация процессов теплообмена в системе шихтн-металл при индукционной наплавке твердых сплавов: Автореф.диссландтехнлаук,-Харьков,1978.-1бс.

13. Matsevity Yu.M., Sheryshev V.P., Leskcrv S.P. Identification of Thermal Flows at Induction Surfacing./ SEMINAR 'Heat Transfer in Elfectroheat'.-Lods 22-25 Qctober(Ed ucstion and Research on Electroheat Steady Committee).-1 901 .-P.85-92.

14. Мацевитый Ю.М., Шерышев В.П. • Моделирование тешюфизических процессов с использованием концепции сосредоточенной емкости. 1. Иерархические модели// Электронное моделиропание.-1991.-13.->Г?4.-С.1Б-20.

15. Мацевитый Ю.М., Шерышев B.EL Моделирование-тешюфизических процессов с использованием концепции сосредоточенной емкости. 2. Моделирующие среды и гибридизация вычислений// Электронное _ моделмрование.-1092-12.-№5.-С20-2б.

16. Мацевитый Ю.М., Шерышев В.П Моделирование теплофизических процессов с нсползовалием концепции сосредоточенной емкости. 3. Идентификация параметров иерархических моделей// Электрсшше моделИрование.-1992.-li.-№3.C.15-19.

17. Мацевитый Ю.М., Тимченко В.М., Шерышев В.П. и др. Моделирование теплопереиоса при актив ационном отжиге арсенид-галлиевых полупроводниковых пластин// Теплофизлшсок.температур.-}992.-М--№3.-С.601-б08.

18. Мацевитый Ю.М., Ержшюв РЖ, Тимченко В.М., Шерышев В.П Оптимизация параметров активационного отжига полупроводниковых пластин// Теплофиавысок.тсмлературк-1092.-2й.-№6.-С.1181-1188. 10. Мацевитый Ю.М., Шерышеи В.П. Концепция сосредоточенной емкости в задачах идентификации тепловых процессов/ Труды 2-го Междунар.Форума по тепломассопереносу.-Минек, 1962. 20. Баженов А.А., Бавлаков ВЛ, Мацевитый Ю.М., Семенов С.Ю., Шерьпнев В.П Математическое моделирование процессов теплолереноса в системе контактирующих проводящих тел./ Труды междуиар. симп. по электрическим контактам. Теория и приложения, 21-25 июня 1903.-Алма-Ата_-С.237-244. 21 Бажадюв А.А., Бавлаков ВЛ, Шерышев В.П. Определение тепловых потоков при вавкуумной нироселекции полиметаллических концентратов// Компллсилшнер.сырьп.-1004.-Ш.-С.48-53.

22. Шерышев ВЛ, Бажанов А.А., Пиунова И.Ы. Метод !, определения теплофизических характеристик материалов//

Докл.НАН Респ.Казахстан.-1994.-№а-С.44-54.

23. Лукьянов. А.Т., В арканов А.А., Шерышев В.П., Пиунова И.М. Определение .теплафпзических характеристик материалов .метэдок обратных аадач/ Труды 2-ой междуиар. ионф.:

, "Идентификация дацаз>шчаских систем и обратные задачи."' Сыгс^-ПгтервургЛШ.-С. Б-14-1.

24. Ах. 858016 СССР , МЯК вОбд ?/бб. Устройство для решения : нелинейных сопряженных задач/ ' А.Т. Лукьянов, А/Г.

Любушкин, У.М.Султанг»зин, В.П.Шерышев.-Олу6л. 23.08.fil, ' Билл. №31.

25. Впжнпмц Л.Л., Ваплаков В.Н., Пиунова И.М., Шерышев В.Н.Способ определения величин тепловых потоков// Патент Республики Кизахстан №362.-Вюлллром.соС.-1964.-№1.

26. Способ определения теплофизических характеристик материалов/ Ю.М.Мадевитый, В.ПЛГерышев, А.А.Бажанов .В.Н.Бавлаков М.В.Радченко С.Ю.Семенов // Патент Респ. Казахстан,Ш4.-№1125.

SUMMARY

. Sheryshev V.P. Modeling and identification of heat transfer with help of concentrated capacity conception. Thesis is a manuscript for finding of academic degree of a doctor of sciences on the specialty 05.14.05 - theoretical thermal engineering, Institute for Problems in Machinery of National Academy of Sciences of the Ukraine, Kharkov, 1096.

On the basis of the concentrated capacity conception the methods ol modeling and identification of heat transfer within systems of bodies with a big contrast of. geometrical sizes and thermal properties and bodies with surface heat sources have been elaborated. Hierarchy models of heat transfer have been developed end analysis of method and facilities for realization of then have been given. A new technology for proceeding thermal physical information including interpretation of transient thermal measurement and identification of local heat' flows and thermal properties of materials have been elaborated. Results of modeling, identification and optimization of heat transfer within objects of metallurgical thermal engineering and semiconductor microelectronics have been adduced.

АННОТАЦИЯ

Шерышев B.IL Моделирование и идентификация процессов теплопереноса с использованием концепции сосредоточенной емкости. Диссертация является рукописью, представленной но соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.14.05 - теоретическая теплотехника, Институт проблем машиностроении HAH Украины, Харьков, Ш9й.

На основе концепции сосредоточенной емкости разработаны методы моделирования и идентификации процессов теплопереноса в системах тел с резким контрастом. геометрических размеров и ТФХ и телах с поверхностными источниками теплоты Разработаны иерархические модели теплопереноса и дан анализ методов и средств их реализации. Разработана новая технологи)! обработки теплофизической информации, включающая интерпретацию результатов нестационарного термометрированин идентификацию локальных тепловых потоков и ТФХ материалов Приведены результаты моделирования, идентификации г оптимизации теплопереноса в объектах металлургической теплотехники м полупроводниковой микроэлектроники. Ключов! одовц: моделювання, ¡дентифжацш, оптимизащя теплообмш, температура, зосереджена емкость, теплоф1аичн досл^дження, шформащйна технолог»«.

Ответственный аа выпуск: к.тл. Лушпенко С.Ф. Подписано к печати Формат 60 х 00 1/16. Бумап

TjinJSil. Условпеч-я. 2,0. Уч.-издл. 0,96. Тираж 110 экз. Заказ М fi

Ротапринт ИПМаш HAH Украины 310046, Харьков-46, ул. Дм. Пожарского, 2/10