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第三章 3.4节 (15) * 3.4 稳态导热的数值计算方法 用数值方法求解导热问题的实质是:把求解域内时空坐标连续的温度分布函数(对应于分析解)用该域内若干离散点上的近似温度值的集合代替,所有离散点温度值的集合即数值解。 数值解法的基本步骤是 (1) 分析问题的几何与物理特征,时间与边界条件,以确定它的类型和性质,并给出其数学描述,即控制方程和相应的单值性条件。 第三章 3.4节 (15) * (2) 将求解域按一定的格式划分成若干个子区域,并据此确定温度节点的位置。这个过程被称为“离散化”。 (3) 对每个未知温度节点建立相应的节点方程式。 (4) 赋初值并求解这一组代数方程式,得到温度场的离散解。 (5) 对温度分布的分析和讨论,或从温度解进而求出热流量、热应力等。 第三章 3.4节 (15) * 3.4.1 求解区域的离散化 选用适宜的坐标系 网格线, 元体划分为 若干个子域 空间步长 离散点: 节点(node) 节点位置用二维数组(i, j)来表示 第三章 3.4节 (15) * 3.4.2 节点方程的建立 对所有未知温度节点都应该建立相应的节点代数方程。 建立节点代数方程的方法 ? 以导数的有限差商直接代入原导热微分方程的方法 ? 泰勒级数展开法 ? 对元体作能量平衡的方法 第三章 3.4节 (15) * 1. 泰勒级数展开方法 中心差分格式:用中心节点( i, j )和两侧相邻节点的温度表示其二阶导数。 第三章 3.4节 (15) * 节点(i, j)的温度对y 的二阶导数的差分表达式 若取 ?x = ?y,有 第三章 3.4节 (15) * 2. 能量平衡方法 对从元体各个边界进出的热量作平衡分析 从(i-1, j)到(i, j)所传导的热量等于 第三章 3.4节 (15) * 按相同方法写出其他三个相邻节点与中心节点间的热量交换,结果同上。 边界节点:以平直边界第3类边界条件为例 第三章 3.4节 (15) * Bi? = h?x/? 称为网格毕渥数。 只要令网格毕渥数等于零(即表面传热系数等于零),就演变成绝热边界的节点方程。 对没有内热源的一般情况,也只要令上式右侧末项等于零即可。 第三章 3.4节 (15) * 几点说明: ? 圆柱体或者球体中的离散方程。 ? 对不规则曲线边界(a)用阶梯线逼近曲线;(b)运用区域扩充法,把求解域扩充至相应坐标系下的规则区域再进行离散化并求解;(c)利用专门针对曲线边界推导的非正规内节点方程。 ? 第二类边界条件时,把对流项换成热流量。 ? 差分数值计算能够比较容易地处理非均匀内热源、非均匀换热边界以及变物性问题。 第三章 3.4节 (15) * 3.4.3 差分方程的求解 直接解法:矩阵求逆 和 高斯消元 ? 能够获得方程组的精确解 ? 占用计算机内存多 ? 对非线性问题不经济 迭代解法: 解法简单,占用内存少 高斯-赛德尔迭代 第三章 3.4节 (15) * 收敛判别式必须对所有的节点都成立。 第三章 3.4节 (15) * 对非线性导热问题,代数方程组的系数或源项是温度的函数,这时必须增加对方程系数的迭代过程。其主要步骤是: ? 假定所有未知节点温度的估计值 ? 算出离散方程的各个系数和源项的数值 ? 求解该“线性的”代数方程组,得出节点温度的改进值 ? 重新计算离散方程的系数并求解之 ? 不断重复直至收敛 第三章 3.4节 (15) * 迭代收敛问题 ≤1, i =1, 2, …, n 如果该不等式成立,那么高斯?赛德尔迭代格式(b)对任意给定的初值均收敛。 想一想:对所有内节点,不等式取“小于”,还是“等于”? 第三章 3.4节 (15) * 双频双对电极肿瘤射频热疗温度场仿真 参见 “生物医学工程学杂志” 2006年第1期 p.16-20 下一章
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