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方型烤箱上平底锅最优设计方案书

数学建模 组员: 指导老师: 方型烤箱上平底锅最优设计 摘 要 众所周知在烹饪时矩形锅的热集中在四角导致食物被烤焦;而在圆锅热烘烤是,热量均匀分布在整个外边缘从而使食物不会被烤焦。由于缺乏烤箱空间利用效率,圆锅并不是最好的选择。我们的任务是解决食物加热不均匀和容易边缘烤焦这一难题,提出了一种用于烘烤盘的优化设计。我们要做的是得到平底锅的热量分布与固定面积的烤箱中所能放的平底锅的最大数量和平底锅的形状之间的关系,本文将通过建立相关模型,运用Matlab软件进行求解。 问题一,为了说明在一个特定烤盘的热分布情况,根据热传导规律对一个三维对象的推导我们首先构造了在不同形状下的平底锅热分布模型,如方形、正六边形、圆形等。其次,引入有限元法求解该二维传递模型的稳态解。并利用Matlab提供的PDEtool工具得到二维热传递模型的数值解。最后得到不同多边形烤盘温度方差表,通过表格我们得到了可用边缘热分布的标准差来衡量烤盘热分布的均价程度。 问题二,我们分为三种情况讨论:p=1,p=0,0p1,我们着重研究0p1时的最优解,在这里我们运用遗传算法对正多边形进行排布,然后分别计算出时,在p=0.25,p=0.5,p=0.75,p=0.9时正四边形,正六边形,正八边形,圆对应的目标函数值。并依照数据画出单一变量对应的直方图或折线图,最后得到相应的变化趋势,即动态最优解。 问题三,以美食杂志社的身份写一页最符合前两题要求的平底锅的宣传广告。通过描写平底锅的用途和圆角矩形型的平底锅的材料以及外形,用简洁明了的语言写出平底锅在加热和空间利用率方面比其他平底锅的优势。 关键词: 热分布; 二维热传递; 遗传算法; 最优解 一.问题重述 随着人民生活的日益富裕,大家对食物的追求也越来越多样。各种烤出来的美食,比如烤煎饼,在一个方形的大烤箱上,可以放上多个平底锅。从我们的生活常识中可知,如果平底锅是方形的,那在烤饼时,热量会集中在四个角上,导致食物的四个角先被烤焦,而同时边上因受热不足却没熟透。如果这些平底锅是圆形的,则整个边沿受热都会均衡大部分的都是方形的,用圆形平底锅在烤内烤东西的话空间利用率很低。的方形烤箱; 2. 每个平底锅的面积都相同,记为,也就是不管你选择什么形状的平底锅,其面积都不能变; 3. 左右两个底座架子水平地支撑着大型烤箱,烤箱面板的各处受热均匀。 在此基础上,我们将通过建立模型来求解以下问题: 问题一:建立一个模型,分析不同形状的平底锅例如圆形、方形或者之间其他的,烤东西时的热量分布情况。在以下条件下建立一个模型来选择最好的平底锅形状:1. 能在放最多的平底锅2. 使热量分布的均匀程度最大化3. 最好地结合条件和,权重 和,结果是如何随烤炉的比及的变化符号 说明 平底锅材质密度 比热容 热对流系数 导热体温度 外界温度 平底锅各面法向热流密度 面积 时间 内热源 平面单位法向量 p 权重 烤箱长宽比 零件编码 DF 脏区标志 t 计数器 N 零件个数、平底锅数量 面积剩余率 边缘温度标准差 温度差异程度 f 目标函数值 s 平底锅面积 五.模型的建立与求解 5.1问题一模型的建立与求解 5.1.1问题一模型建立依据 从我们的生活常识中可知,如果平底锅是方形的,那烤食物时,热量会集中在四个角上,导致食物的四个角先被烤焦,而同时边上因受热不足却没熟透。如果这些平底锅是圆形的,则整个边沿受热都会均衡 图1 平底锅热流示意图 平底锅是由导热性良好的铁制成,且锅厚为2mm,则在烤箱中的平底锅各个面接受的热流密度相同。但实际上平底锅的不同部分的热量不一致的,这主要是由平底锅与空气之间的热对流以及平底锅金属材料之间的热传导造成的。 已知热传导方程为 . 这方程中各个量表示为:表示平底锅的密度;表示平底锅的比热容; 表示平底锅的温度;表示平底锅的热传导系数;表示平底锅的内热源; . 对于平底锅,我们可以把它看成单层平壁的稳定热传导,且假设其材质均匀,导热系数视为常量(或取平均温度下的导热系数),根据图1假设在平底锅底部的温度只沿着壁厚度方向变化,是一维热传导,等温面为垂直于轴的平行面。在这些条件的基础上,我们可得导热量为 , 其中;为导热面积,即垂直于热流方向的表面积;为平底锅的厚度。由此可得平底锅单位时间和面积下的传导热量为,既。 为了求解出不同形状的平底锅的热量分布情况,我们将建立模型来反映平底锅在受热稳定时这一情况。在此种情况下,可知此时的平底锅的热量变化率为。此时传热方程为,也可表示为。 依据现实情况,在烘烤食物时处于平底锅边缘的食物容易烤焦,这很好的说明了平底锅的边缘温度要比内部温度高。而引起这一现象的原因主要是平

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