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热工基础与应用 (第4版)课件:导热问题的数值求解基础.ppt

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热工基础与应用热工基础与应用热工基础与应用热工基础与应用热工基础与应用热工基础与应用热工基础与应用热工基础与应用热工基础与应用热工基础与应用热工基础与应用热工基础与应用热工基础与应用导热问题的数值求解基础内容简介:介绍数值求解物理问题的基本思想,以二维稳态导热问题为例,介绍数值求解导热问题的基本过程。学习重点:掌握从能量守恒定律出发建立离散方程的方法代数方程的迭代求解方法热工基础与应用§10-1数值求解的基本思想一、基本思想分析解:对导热微分方程在定解条件下的积分求解数值解:用求解区域上空间、时间坐标系中的离散点的温度分布代替连续的温度场,用大量的代数方程代替微分方程离散连续代数方程微分方程目的:获得导热物体的温度分布及热流量热工基础与应用热工基础与应用二、基本步骤建立数学描写解的分析(热流,温度)求解代数方程设立物理量的初值(迭代法)建立节点物理量的代数方程确定节点(区域离散化)改进初场是否是否收敛物理问题简化热工基础与应用yx0HWh,tfq=0h,tfq=0物理问题:2D,矩形域,稳态,无内热源,常物性的导热问题,IIBCIIIBC热工基础与应用1.数学描写热工基础与应用将求解区域按照一定规则划分为许多小区域,这个过程称作区域离散。每个小的区域(控制容积,CV)的物理量值由一个点—节点(node)来表示2.区域离散(domaindiscretization)xymn热工基础与应用四种几何要素:(1)节点(node):所求解未知量的位置(2)控制容积(controlvolume):节点的影响域(3)界面(interface):控制容积的分界位置(4)网格线(gridlines):沿坐标方向相邻节点连接成的曲线簇热工基础与应用每一个节点都与它相邻的节点存在一定的关系,通过相应的物理定律,可建立它们之间的关系式(代数方程式),此关系式又称作节点的离散方程。3.建立节点物理量的代数方程(m,n)(m+1,n)(m,n+1)(m-1,n)(m,n-1)热工基础与应用把所有节点的离散方程联立起来,会组成一个封闭的方程组,对代数方程组的求解可采用直接解法或迭代求解,更多的是采用迭代解法。迭代求解,先设立迭代初场4.求解代数方程组对解的结果进行进一步的分析,获得定性或定量上的一些新的结论。5.解的分析热工基础与应用§10-2稳态导热问题数值计算物理问题以一个二维稳态导热问题为例,介绍数值求解导热问题的的具体过程。如图所示:二维矩形区域内的稳态、不含内热源、常物性的导热问题。yx0HWh,tfq=0h,tfq=0热工基础与应用数学描写热工基础与应用区域离散将二维矩形区域按照下图的格式进行离散化,相邻两个节点间的距离称为步长,记为Δx、Δy。区域内部的节点称为内节点,边界上的节点称为外节点。xymn热工基础与应用一、内部节点的有限差分方程2.依据定律:能量守恒定律;Fourier导热定律1.基本思想:对每个节点所代表的控制体列能量守恒方程式,从而得出该点与其它节点的关系式(m,n)(m+1,n)(m,n+1)(m-1,n)(m,n-1)nesw热工基础与应用3.具体推导(m,n)(m+1,n)(m,n+1)(m-1,n)(m,n-1)nesw规定热量进入为正热工基础与应用思考:如果(m,n)有内热源,离散方程的表达式是什么?流入控制体的总热流量+控制体内热源生成热=流出控制体的总热流量+控制体内能的增量能量守恒:yx0HWh,tfq=0h,tfq=0热工基础与应用为不失一般性,假设物体内部有内热源,Δx及Δy均匀1.平直边界xyqw(m,n)(m,n+1)(m,n-1)(m-1,n)二、边界节点的有限差分方程式热工基础与应用2.外角点xy(m,n-1)(m-1,n)(m,n)qw热工基础与应用热工基础与应用热工基础与应用热工基础与应用热工基础与应用热工基础与应用热工基础与应用热工基础与应用热工基础与应用热工基础与应用热工基础与应用热工基础与应用

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