热传导问题的数值解法.ppt

第4章 热传导问题的数值解法 数值解法的基本思想及基本步骤； 有限差分法的原理； 能够根据求解域的特点，合理进行求解域离散； 根据热平衡法建立节点温度差分方程； 利用计算机求解节点温度差分方程组 主要研究内容： 本章具体内容安排： 4.1 导热问题数值解法的基本思想 4.2 内部节点离散方程的建立方法 4.3 边界节点离散方程的建立及代数 方程的求解 4.4 非稳态导热问题的数值解法 4.1 导热的问题数值解法的基本思想 1.数值解法的基本思想: 用导热问题所涉及的空间和时间区域内有限个离散点(称为 节点)的温度近似值来代替物体内实际连续的温度分布，将连续 温度分布函数的求解问题转化为各节点温度值的求解问题，将导 热微分方程的求解问题转化为节点温度代数方程的求解问题。 2.数值解法求解导热问题的基本步骤： 1.1）对实际导热问题的几何、物理性质进行分析，做必要的 、合理的简化，建立符合实际的物理模型； 1.2）根据物理模型建立完整的数学模型，即给出导热微分方 程（即导热控制方程）和单值性条件； 1.3）求解域离散化：将导热问题所涉及的空间和时间区 域按一定的要求划分成有限个子区域，将子区域的顶点作 为需要确定其温度值的空间点或时间点（即节点）, 每个 节点就代表以它为中心的子区域，节点温度就代表子区域 的温度； 1.4）建立节点温度代数方程组； 1.5）求解节点温度代数方程组，得到所有节点的温度值； 1.6）对计算结果进行分析，若计算结果不符合实际情况，则 检查上述计算步骤，修正不合理之处，重复进行计算，直到 结果满意为止。 目前求解导热问题常用的数值解法主要有有 限差分法、有限元法及边界元法。其中有限差 分法比较成熟，应用较广。 有限差分法的基本原理：用有限差分近似微分，用有限差商 近似微商，将导热偏微分方程转化为节点温度差分代数方程。 以“二维常物性，无内热源的稳态导热”为例进行说明 1 求解域的离散化 考虑根据导热物体的几何形状选择坐标系，利 用一组与坐标轴平行的网格线将物体划分成若干 个子区域。网格的宽度称为步长。步长大小（即 网格疏密）的选择根据问题的需要而定。 1) 子区域的划分 2）节点的选择 选择网格线交点和网格线与物体边界线的交点作为节点 ，每个节点代 表以它为中心的子区域 。如：(m,n)节点就代表涂阴影的子区域。 控制方程： 2 建立节点离散方程 如何得到各节点的差分方程？ 建立节点温度差分方程的方法有两种： 1）泰勒级数展开法 2）热平衡法 4.2 内节点离散方程的建立方法 1 泰勒级数展开法 对节点（m+1,n)和（m-1，n)分别写出 t在（m,n)节点的泰勒级数展开式： 以“二维常物性，无内热源的稳态导热”为例进行说明 将上两式相加略去高阶项则得： 中心差分格式 同理可得y方向的中心差分格式： 对二维常物性，无内热源的稳态导热问题： 2 热平衡法 内节点离散方程的建立方法 热平衡法的基本思路是：根据节点所代表的控制容积在导热 过程中的能量守恒建立节点温度差分方程。 内部节点( m,n )所代表的控制容 积在导热过程中的热平衡可表述为： 从周围相邻控制容积导入的热流量之 和等于零。即有： 根据导热付里叶定律，对于垂直于画面方向单位宽度有： 仍以“二维常物性，无内热源的稳态导热”为例 4.3 边界节点离散方程的建立及代数方程的求解 把第2类及第3类边界条件合并考虑 ，根据热平衡法进行分析； 对具有第三类边界条件的边界节点 ( m,n )，根据热平衡有： 网格毕渥数 其他几种边界节点的温度差分方程： 1.第三类边界条件下的外拐角边界节点： 2.第三类边界条件下的内拐角边界节点： 3.绝热边界节点： 节点温度差分方程组的求解方法 运用有限差分方法可建立导热物体所有内部节点和边界节点 温度的差分方程。这些节点温度差分方程构成一个线性代数方程 组，求解该方程组，就可以得节点温度的数值。 线性代数方程组的求解方法有消元法、矩阵求逆法、迭代法等 这里仅简单介绍在导热的数值计算中常用的迭代法。 1) 简单迭代法 设节点温度差分方程的形式为： 为为常数 将该该方程组组改写为为显显函数的形式： 先假设设一组节组节 点温度的 初始值值 2) 高斯-塞德尔迭代法 高斯-塞德尔迭代法是在简单迭代法的基础上加以改 进的迭代运算方法。它与简单迭代法的主要区别是在迭 代运算过程中总使用最新算出的数据。 高斯-塞德尔迭代法要比简单迭代法收敛速度快。 4.4 非稳态导热问题的数值解法 非稳态导热问题稳态导热问题 的数值值解法与稳态导热稳态导热 的主要区别别： 1）非稳态导热问题的控制方程比稳态导热多了非稳态项 ，因此单值性条件中增加了初始条件； 2）除了与稳态导热问题一样需要对空间域进行离散外， 还需要对时间进行域离散； 3）在利用热平衡法导出节点温度方程时需要考虑控制容 积的热力学能随时间的变化； 4）由于时间和空间同时离散，会带来节点温度方程求解 的稳定性问题，有些情况下空间步长和时间步长不能任意选 择。 以“第三类边界条件下无限大平壁的一维非稳态导热问题为例” 1 一维非稳态导热问题的数值求解 2）节点温度差分方程的建立 控制方程： 1) 求解域的离散 时间步长为： 空间步长： 空间和时间步长的大小要保证节点温度方程求解的稳定性。 表示空间节间节 点在时时刻（简简称k时时刻）的节节点温度。 运用热平衡法可以建立非稳态导热物体内部节点和边界节点温度差分方程 。 1)内节点离散方程的建立 对于常物性、无内热源的无限大平壁的一维非稳态导热问题 内部节点i所代表的控制容积（图中 阴影部分）的热平衡可表述为：在k时刻 ，单位时间内从相邻控制容积i-1与i+1分 别导入的热流量之和等于该控制容积热 力学能的增加.即： 如果节点i的温度对时间的变化率采用向前差分，则有： 移项后变为 称为网格付里叶数 一维非稳态导热内 部节点温度方程的 显式差分格式 两点结论： 1.任意一个内部节节点在某一时时刻的节节点温度，都可以由该节该节 点 及其相邻节邻节 点在前一时时刻的节节点温度由上式直接求出，不必联联 立求解方程组组，这这是显显式差分格式的优优点。这样这样 就可以从初始 温度出发发依次求出 等各时时刻的节节点温度； 2.必须满须满 足显显式差分格式的稳稳定性条件，即： 稳稳定性条件说说明，一旦空间间步长长或时间时间 步 长长的数值值确定之后，另一个步长长的数值值的 就不能任意选择选择 ，必须满须满 足稳稳定性条件。 物理意义？ 2）边界节点温度差分方程 以第三类边界条件下无限大平壁的一维非稳态导热为例 边界节点0所代表的控制容积（图中 阴影部分）的热平衡可表述为：在k时 刻，单位时间内从相邻控制容积1导入 的热流量与从流体以对流换热的方式传 入的热流量之和等于该控制容积热力学 能的增加。即： 边界节点0的温度对时间的变化率采用向前差分，则有： 经过整理，并引入网格毕渥数和网格付里叶数有： 同内部节点温度方程的显式差分格式的道理一 样，上式必须满足解的稳定性条件，即： 第三类边界条件下一维非稳态导热物体边界 节点温度方程的显式差分格式。 即： 注：这一要求比内点的限制还要苛刻。当边界条件及内 节点的稳定性条件得出的 不同时，应以较小值来确定 允许的时间步长。 本章小结 重点掌握以下内容： 1） 理解数值解法的基本思想，熟悉数值解法的基本步骤； 2）掌握有限差分法的原理； 3）重点掌握热平衡法建立节点温度差分方程； 4）了解差分方程组的求解方法； 复习题P185-186：1. 2. 6 例题：4-3 l离散方程的相容性，收敛性，稳定性问题 关于数值计算的补充内容 1. 数值计算是基于离散方程 2. 希望离散方程具备微分方程原有的基本属性 离散方程截断误差: 差分算子与相应微分算子之 间的差值 离散方程的截断误差可以由差分方程的精确解作Taylor展开分析得出 离散方程的相容性: 当时间和空间步长趋近于零时，如果离散方程的截 断误差趋近于零，则称此 离散方程 与 微分方程 相容 。 初值问题离散格式的稳定性: 一个初值问题的离散格式，如果可以保证在任一时间层计算 中所引入的误差都不会在以后各层的计算中被不断地放大， 以至变得无界，则称此格式为稳定的。 稳定或不稳定，是一个计算格式的固有属性。