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微機電系統分析報告 - Inverse heat transfer

微機電系統分析報告 - Inverse heat transfer. 學生 : 余思緯 指導老師 : 李旺龍 副教授. Introduction. 在實際熱傳導問題中，若其初始條件 (Initial condition) 、邊界條件 (Boundary condition) 與材料性質 (Material Properties) 為已知的熱物理量時，可直接由熱傳導方程式去進行求解整個溫度場分布，此類型的熱傳問題稱為 直接熱傳導問題 (Direct Heat Conduction Problem DHCP ) ；. Introduction.

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微機電系統分析報告 - Inverse heat transfer

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Presentation Transcript

  1. 微機電系統分析報告- Inverse heat transfer 學生:余思緯 指導老師:李旺龍 副教授

  2. Introduction • 在實際熱傳導問題中，若其初始條件(Initial condition)、邊界條件(Boundary condition)與材料性質(Material Properties)為已知的熱物理量時，可直接由熱傳導方程式去進行求解整個溫度場分布，此類型的熱傳問題稱為直接熱傳導問題(Direct Heat Conduction Problem DHCP )；

  3. Introduction • 然而實際工程問題常因客觀的條件限制或是量測技術的不足，無法得到完整的邊界條件，因此必須藉由量測熱導體內部之溫度數據，再經由逆向估算求出未知邊界條件，此類型的熱傳問題稱為逆向熱傳導問題(Inverse Heat Conduction Problem IHCP)，經由逆向估算出未知邊界條件後，即可求解整個溫度場之溫度分布[1-5]。

  4. 文獻回顧 • Estimation of Surface Absorptivity and Surface Temperature[1](下圖擷取自此篇)

  5. 文獻回顧 • 在1950年代後期，逆向熱傳導問題開始受到學界的注意與研究。依空氣動力學 [4] 理論可知，當太空設備返回地球時，設備表面將因有極嚴重的熱量產生以致於無任何感測器可殘存於其表面。因此發展出將感測器埋入物體內部而反推算出物體表面邊界條件的逆運算技術。

  6. Inverse應用---國防軍事科技[5] • 底火瞬間點燃時所釋放出之熱通量 • 膛內彈道中槍砲管內壁熱通量及溫度計算 • 藉由槍管外壁變形量之量測逆估算槍膛內壁壓力 • 反艦飛彈發射時推進系統之燃氣噴流火焰溫度對甲板之影響 • 垂直起降戰機之發動瞬間所產生之高溫噴流 • 熔裝固化過程之接觸熱傳係數 等皆屬逆向熱傳導問題之範疇。

  7. 概念說明 • [Direct Problem] Known: a1、a2、b1、b2、Q、R Unknown: X、Y

  8. 概念說明 • [Inverse Problem] Known: a1、a2、b1、b2、Y、R Unknown: X、Q

  9. 概念說明---熱傳問題[6] • Finite Difference Equation 擷取自[6]

  10. 熱傳問題---Direct • Known: T1~ T12 • Unknown: TA1~ TA4 利用Finite Difference Equation寫出關係式

  11. T2+T12+TA3+TA2-4TA1=0 ……1 • T3+T5+TA1+TA4-4TA2=0 ……2 • T11+T9+TA1+TA4-4TA3=0 ……3 • T6+T8+TA2+TA3-4TA4=0 ……4 • -4T1+T2+T12=0 ……5 • T1-4T2+T3+TA1=0 ……6 • T2-4T3+T4+TA2=0 ……7 • T3-4T4+T5=0 ……8 • T4-4T5+T6+TA2=0 ……9 • T5-4T6+T7+TA4=0 ……10 • T6-4T7+T8=0 ……11 • T7-4T8+T9+TA4=0 ……12 • T8-4T9+T10+TA3=0 ……13 • T9-4T10+T11=0 ……14 • T10-4T11+T12+TA3=0 ……15 • T1+T11-4T12+TA1=0 ……16

  12. 熱傳問題---Inverse • Known: T3~ T12、 TA1、 TA2 • Unknown: T1、T2、TA3、TA4 利用Finite Difference Equation寫出關係式

  13. Inverse method • 敏感性(sensitivity)與最小平方法(the least square method) • 共軛梯度法(Conjugate Gradient Method) • Modified Conjugate Gradient Method • B-Spline Method 求解逆向熱傳導問題，最小平方法被廣泛使用，因其精確度和穩定性均能合乎要求。

  14. 敏感性係數(Sensitivity coefficient) • 敏感性係數是假設系統在線性系統之下，利用疊加法則(superposition)對其邊界條件去進行展開；是一種探討已知條件對於系統貢獻度之方法。

  15. 最小平方法(the least square method) • 最小平方法（又稱最小二乘法）是一種數學優化技術，它通過最小化誤差的平方和找到一組數據的最佳函數匹配[7] 函數表示:

  16. 最小平方法(the least square method) • 利用最小平方法(線性組合形式)求解: 其中，*為共軛轉置(associate)

  17. 實例 for COMSOL

  18. 由疊加法將表1之邊界條件展開為表2、3、4，其中表2為B1溫度點對於系統之貢獻度，求出敏感性係數、表3為B2溫度點對於系統之貢獻度，求出敏感性係數、表4為邊界條件對於系統之貢獻度，求出敏感性係數。其疊加的結果可以寫成式(A)。由疊加法將表1之邊界條件展開為表2、3、4，其中表2為B1溫度點對於系統之貢獻度，求出敏感性係數、表3為B2溫度點對於系統之貢獻度，求出敏感性係數、表4為邊界條件對於系統之貢獻度，求出敏感性係數。其疊加的結果可以寫成式(A)。 > ………(A)

  19. 由於式(A)是三條方程式，但只有兩個未知數，因此將利用最小平方法去估算最佳的迴歸式求出近似解。由於式(A)是三條方程式，但只有兩個未知數，因此將利用最小平方法去估算最佳的迴歸式求出近似解。 ………(A) ………最小平方法

  20. COMSOL 驗證 參數: • 寬為20m • 長為20m • 統域邊界:steel AISI4340 • Mesh:正方形, 20x10(即每ㄧ格為一平方公尺)

  21. COMSOL 驗證組(Direct) 驗證組邊界設定: • 熱絕緣 • 溫度:373.15K • 溫度:473.15K • 熱絕緣

  22. COMSOL 驗證組結果 • P3:463.15K • P4: 463.15K • P5: 463.15K

  23. COMSOL 實驗組(Inverse)

  24. COMSOL 實驗組(Inverse) • 左邊熱源結果 P3:0.52307 K P4:0.073444 K P5:0.016213 K

  25. COMSOL 實驗組(Inverse)

  26. COMSOL 實驗組(Inverse) • 左邊熱源結果 P3:0.073444 K P4:0.49132 K P5:0.065743 K

  27. COMSOL 實驗組(Inverse)

  28. COMSOL 實驗組(Inverse) • 結果 P3:180.909078 K P4:195.931548 K P5:424.372615 K

  29. 利用MATLAB計算 >> A=[0.52307,0.073444;0.073444,0.49132;0.016213,0.065743]; >> F=[463.15;463.15;463.15]; >> D=[180.909078;195.931548;424.372615]; >> x=inv(A'*A)*A'*(F-D) x = 473.1505 473.1506 =>與驗證組 473.15幾乎ㄧ樣………(OK)

  30. COMSOL step by step STEP1:選取模組 • 開啟COMSOL(即自動到模型導覽視窗) • 點選熱傳模組 • 點選廣義熱傳 • 確定

  31. Step2:繪製圖形 • 點選正方形圖 • 在視窗上拉出一方形

  32. 3.在方形上按兩下，出現尺寸視窗，輸入參數，按確定3.在方形上按兩下，出現尺寸視窗，輸入參數，按確定 4.繪製完成，按 將圖形縮放至視窗大小

  33. Step3:統御域設定 • 選取 物理量>統御域設定 • 出現統御域設定視窗 • 輸入參數 STEEL AISI4340 • 確定

  34. Step4:邊界設定 • 選取 物理量>邊界設定 • 出現邊界設定視窗 • 輸入邊界 • 確定

  35. Step5:設定網格 • 點選 網格 > 映射網格參數 • 出現映射網格參數視窗 >點選邊界>設定網格數目 >20x10

  36. Step6:進行求解 • 點選求解>進行求解 • 後處理>資料顯示 >統御域 (為了知道P3、P4、P5溫度)

  37. Step7:MATLAB • 得到驗證組與對照組之數據後，利用MATLAB運算

  38. Reference • Yann-Shouh Sun, Cheng-I Weng, Tei-Chen CHEN, and Wang-Long LI, Estimation of Surface Absorptivity and Surface Temperature, JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS PART 1-REGULAR PAPERS SHORT NOTES & REVIEW PAPERS 35 (6A): 3658-3664 JUN 1996 • 孫彥碩，雷射表面熱處理的表面溫度和表面塗層吸收率的預測，國立成功大學機械工程研究所碩士論文，1995 • Tai-Sheng Chen*, Horng-Yuan Jang**, Tsung-Chien Chen*,and Pan-Chio Tuan**, Adaptive Input Estimation Method Combining Finite Element Scheme for Inverse Jet Flow Heat Flux Estimating, JOURNAL OF C.C.I.T., VOL.34, NO.2, May., 2006 • 顏義哲，反算法於三維穩態鰭管式熱交換器鰭片熱傳系數之預測，國立成功大學造船季船舶機械工程研究所碩士論文，2002 • 李弘毅與王景輝，逆向熱傳導問題之分析與實驗，力學系列B，第十六卷，第ㄧ期，2000 • Introduction to Heat Transfer, THIRD EDITION, WILEY • Wikipadia (http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B9%81%E4%BD%93%E4%B8%AD%E6%96%87)

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