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第4章 热传导问题的数值解法5
第4章 热传导问题的数值解法 4.1 导热问题数值求解的基本思想 4.2 内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 导热问题数值求解的基本思想 4.1.2 导热问题数值求解的基本步骤 3. 建立节点物理量的代数方程 关于节点物理量的代数方程也称离散方程,建立离散方程是数值求解过程中的重要环节,包括计算区域内部和外部节点的离散方程,是本章的重点内容。 在均分网格中,一、二阶导数常见的差分表达式如下表所示: 2、边界上的外部角点 3、边界上的内部角点 三、第三类边界条件情形 将该热流密度的表达式代入第二类边界条件中,可得第三类边界条件下边界节点的离散方程。 对于Δx=Δy的情形,有: 4.4.3 非稳态导热问题离散的隐式格式 4.4.4 边界节点的离散方程 同稳态问题类似,非稳态导热问题的离散也可采用元体能量平衡法。下面以边界节点的离散方程为例介绍。 一无限大平板的右边界部分为第三类边界条件,对边界节点N建立其离散方程。 边界节点N代表宽度为x/2的元体,对该元体应用能量平衡进行分析 4.4.5 非稳态导热显式格式离散方程组及稳定性分析 直角坐标系一维非稳态常物性无内热源两边第三类边界条件导热问题,根据对称性取一半分析,其数学描述为: 数学描述的显式离散方程为: 对于前述显式格式离散方程,要保证求解过程稳定性应满足以下要求: 例题讲解 请列出下图所示直径为d的圆截面直肋的一维稳态、无内热源、常物性导热问题内节点2的离散方程式(导热系数为λ,肋高方向的步长为Δx)。 第二章作业讲评 2-1 基本无问题。一维稳态无内热源导热问题,可用热阻分析法求解。 2-3 基本无问题。一维稳态无内热源导热问题,可用热阻分析法求解(热阻串联)。 2-15 柱坐标系下的一维非稳态无内热源导热问题,可用热阻分析法(热阻串联)。当半径较小时,不能采用平壁的有关公式计算。当增加煤灰泡沫砖的厚度时,一般情况热损失会减小,交界面处温度会降低。(要用到临界热绝缘直径的概念) 2-16 基本无问题。柱坐标系的一维稳态无内热源导热问题 2-23 保温材料的导热是一维稳态无内热源导热问题,球壳导热与外表面对流传热两个传热环节串联。外表面的复合换热表面传热系数包含了对流和辐射两种传热方式的影响 第二章作业讲评 2-30 属于变截面常导热系数的一维稳态无内热源导热问题,需要根据热力学第一定律和傅里叶导热定律建立起温度控制方程,然后进行求解。导热体内温度分布曲线也应会定性画出。 2-34 属于等截面变导热系数的一维稳态无内热源导热问题,需要根据热力学第一定律和傅里叶导热定律建立起温度控制方程,然后进行求解。导热体内温度分布曲线形状对于t1t2和t1t2两种情况应分别画出。(可以只将平板水平在水平方向改变方向即可得出) 2-39 变截面积、变导热系数、有内热源、侧面可以有对流传热的一维稳态导热问题,需要取微元体对其列出热力学第一定律表达式,然后代入各项表达式 2-53 方法同例题2-6,只不过该题已知肋端的无量纲过余温度θH/θ0,需要确定肋长H 导热部分要求 整个导热部分,对一些重要概念、公式及特征数要求熟练掌握,会利用所讲的知识定性分析一些与导热有关的生活或工程问题。 稳态导热部分中,具有内热源的导热及变截面变导热系数导热问题是要求掌握的;肋片部分求解方法不要求、结果公式不要求记、掌握一些关于肋片的结论即可;多维稳态导热问题,了解即可。 非稳态导热问题中,重点是集中参数法,要求熟练掌握;一维非稳态导热问题和半无限大物体非稳态导热,掌握物理和数学描写、结果一般会用即可。 导热数值求解部分,重点是用能量平衡法导出稳态问题内部和外部节点的温度离散方程,其它部分理解。 第四章 思考题及习题作业 思考题: 2,6(不交) 习题: 4-4 (仅写出节点2、3的离散方程) 4-9 (仅写出节点1、6、9的离散方程) 4-15 (仅写出节点3、4的离散方程) 引入特征数: 由于上述特征数的特征尺度为网格宽度,故称网格傅里叶数和网格毕渥数 边界节点的离散方程可以写成: 内节点的显式离散方程可以写成: 返回 右侧边界节点: 左侧边界节点: 初始条件: 控制方程: 右侧边界节点: 内节点: 左侧边界节点: 初始条件: 对内部节点: 对第三类边界条件的外部节点: 对第一、二类边界条件的外部节点,无稳定性限制 即 返回 对节点2,列热平衡式: 即: 返回 * 4.1.1 基本思想 4.1.2 导热问题数值求解的基本步骤 返回 数值解: 用导热体内有限个离散点上的温度值的集合来代替实际连续的温度场分布 数值解获取方法: 通过求解按一定方法建立起来的关于离散点上所求物理量的代数方程组,来获得
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