热传导方程的模型
一块热的物体，如果体内每一点的温度不全一样，则在温度较高的点处的热能就要向温度较低的点处流动，称为热传导。由于热能的传导过程总是表现为温度随时间和点的位置的变化，故问题归结为求物体内温度的分布。
在三维直角坐标系下，假设在时刻t 点),,(z y x M 的温度为),,,(t z y x u ，考虑一个区域的温度，为此，在物体中任取一闭曲面S ，它
所包围的区域记作V （如图），
n 为曲面S ?的法向（从V 内指向V 外）。
由热传学中的Fourier 实验定律可知：物体在无穷小时间段dt 内流过一个无穷小面积dS 的热量dQ 与时间段dt 、曲面面积dS ，以及物体温度u 沿法线方向的方向导数n u ??三者成正比,即
其中),,(z y x k k =称为物体的热传导系数
(0≥k )，当物体均匀且各向同性时，k 为常
数。式中负号出现是由于热量的流向与温度梯度的正向相反。
从时刻1t 到时刻2t ，通过曲面S 流入区域V 的全部热量为
流入的热量使V 内温度发生了变化，在时间间隔],[21t t 内区域V 内各点温度),,,(1t z y x u 变化到),,,(2t z y x u ，则在时间间隔
],[21t t 内V 内温度升高所需的热量为：
其中c 为物体的比热，ρ为物体的密度，对均匀且各向同性的物体来说，它们都是常数。
由于热量守恒，故21Q Q =，即021=-Q Q 。 交换积分次序,得
由于时间间隔],[21t t 及区域Ω是任意取的，并且被积函数是连续的，得到
如果物体是均匀的,即k c ,,ρ为常数，得到方程： 其中ρc k a =2。该方程称为三维的热传导方程。
热传导方程的模型 一块热的物体，如果体内每一点的温度不全一样，则在温度较高的点处的热能就要向温度较低的点处流动，称为热传导。由于热能的传导过程总是表现为温度随时间和点的位置的变化，故问题归结为求物体内温度的分布。 在三维直角坐标系下，假设在时刻t点x M的温度为),,,(t z y x u，考虑一个区域的y , ) , (z 温度，为此，在物体中任取一闭曲面S，它所包围的区域记作V（如图），n为曲面S 的法向（从V内指向V外）。
由热传学中的Fourier 实验定律可知：物体在无穷小时间段dt 内流过一个无穷小面积dS 的热量dQ 与时间段dt 、曲面面积dS ，以及物体温度u 沿法线方向的方向导数n u ??三者成正比,即 dSdt n u k dQ ??-= dSdt u grda k n )(-= dt S d u grda k ?-= 其中),,(z y x k k =称为物体的热传导系数 (0≥k )，当物体均匀且各向同性时，k 为常数。式中负号出现是由于热量的流向与温度梯度的正向相反。 从时刻1t 到时刻2t ，通过曲面S 流入区域V 的全部热量为 ?????=2 11t t S dSdt n u k Q ????=21t t S dt S d u grad k 利用奥高公式 dxdydzdt z u k z y u k y x u k x t t ????Ω??????????+????+????21 )()()(
流入的热量使V 内温度发生了变化，在时间间隔],[21t t 内区域V 内各点温度),,,(1t z y x u 变化到),,,(2t z y x u ，则在时间间隔 ],[21t t 内V 内温度升高所需的热量为： []dxdydz t z y x u t z y x u c Q ???Ω -=),,,(),,,(122ρ ????Ω??=21t t dtdxdydz t u c ρ 其中c 为物体的比热，ρ为物体的密度，对均匀且各向同性的物体来说，它们都是常数。 由于热量守恒，故21Q Q =，即021=-Q Q 。 交换积分次序,得 0)()()(21=????? ?????-????-????-??????Ωdxdydzdt z u k z y u k y x u k x t u c t t ρ 由于时间间隔],[21t t 及区域Ω是任意取的，并且被积函数是连续的，得到 )]()()([1z u k z y u k y x u k x c t u ????+????+????=??ρ 如果物体是均匀的,即k c ,,ρ为常数，得到方程： )(2222222z u y u x u a t u ??+??+??=??
应用物理软件训练 前言 MATLAB 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，和Mathematica、Maple 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其
他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。本部分主要介绍如何根据所学热传导方程的理论知识进行MATLAB数值实现可视化。本部分主要介绍如何根据所学热传导方程的理论知识进行MATLAB数值实现可视化。本部分主要介绍如何根据所学热传导方程的理论知识进行MATLAB数值实现可视化。 本部分主要介绍如何根据所学热传导方程的理论知识进行MATLAB数值实现可视化。
题目：热传导方程的求解 目录 一、参数说明 (1) 二、基本原理 (1) 三、MATLAB程序流程图 (3) 四、源程序 (3) 五、程序调试情况 (6) 六、仿真中遇到的问题 (9) 七、结束语 (9) 八、参考文献 (10)
一、参数说明 U=zeros(21,101) 返回一个21*101的零矩阵 x=linspace(0,1,100);将变量设成列向量 meshz(u)绘制矩阵打的三维图 axis([0 21 0 1]);横坐标从0到21，纵坐标从0到1 eps是MATLAB默认的最小浮点数精度 [X,Y]=pol2cart(R,TH);效果和上一句相同 waterfall(RR,TT,wn)瀑布图 二、基本原理 1、一维热传导问题 （1）无限长细杆的热传导定解问题 利用傅里叶变换求得问题的解是： 取得初始温度分布如下 这是在区间0到1之间的高度为1的一个矩形脉冲，于是得 （2）有限长细杆的热传导定解问题
§2热传导方程的初值问题 一维热传导方程的初值问题(或Cauchy 问题) ?? ???+∞<<∞-=>+∞<<∞-=??-??x x x u t x t x f x u a t u ),()0,(0 ,),,(2 2 2? （） 偏导数的多种记号xx x t u x u u x u u t u =??=??=??22,,. 问题也可记为 ?? ?+∞ <<∞-=>+∞<<∞-=-x x x u t x t x f u a u xx t ),()0,(0 ,,),(2?. Fourier 变换 我们将用Fourier 变换法求解热传导方程的柯西问题.为此我们将着重介绍Fourier 变换的基本知识.Fourier 变换在许多学科中是重要使用工具. 可积函数,设)(x f f =是定义在),(+∞-∞上的函数, 且对任意A B <，()f x 在[,]A B 上可 积，若积分 ? +∞ ∞ -dx x f )(收敛,则称)(x f 在),(+∞-∞上绝对可积。 将),(+∞-∞上绝对可积函数形成的集合记为),(1 +∞-∞L 或),(+∞-∞L ， 即{ } ∞<=+∞-∞=+∞-∞? +∞ ∞ -dx x f f L L )(| ),(),(1 ，称为可积函数空间. 连续函数空间: ),(+∞-∞上全体连续函数构成的集合,记为),(+∞-∞C , {}上连续在),(|),(+∞-∞=+∞-∞f f C ， {}上连续在),(,|),(1+∞-∞'=+∞-∞f f f C 。 定义 若),(+∞-∞∈L f ,那么积分 ),(?)(21 λπ λf dx e x f x i =? +∞ ∞ -- 有意义,称为Fourier 变换, )(? λf 称为)(x f 的Fourier 变式(或Fourier 变换的象). ? +∞ ∞ --= =dx e x f f Ff x i λπ λλ)(21)(?)( 定理 (Fourier 积分定理)若),(),(1 +∞-∞?+∞-∞∈C L f ,那么我们有
1. 热传导的基本概念 1.1温度场 一物体或系统内部，只要各点存在温度差，热就可以从高温点向低温点传导， 即产生热流。因此物体或系统内的温度分布情况决定着由热传导方式引起的传热速率（导热速率）。 温度场：在任一瞬间，物体或系统内各点的温度分布总和。 因此，温度场内任一点的温度为该点位置和时间的函数。 〖说明〗 若温度场内各点的温度随时间变化，此温度场为非稳态温度场，对应于非稳 态的导热状态。 若温度场内各点的温度不随时间变化，此温度场为稳态温度场，对应于稳态 的导热状态。 若物体内的温度仅沿一个坐标方向发生变化，且不随时间变化，此温度场为 一维稳态温度场。 1.2 等温面 在同一时刻，具有相同温度的各点组成的面称为等温面。因为在空间同一点不可能同时有两个不同的温度，所以温度不同的等温面不会相交。 1.3 温度梯度 从任一点起沿等温面移动，温度无变化，故无热量传递；而沿和等温面相交 的任一方向移动，温度发生变化，即有热量传递。温度随距离的变化程度沿法向最大。 温度梯度：相邻两等温面间温差△t与其距离△n之比的极限。 〖说明〗 温度梯度为向量，其正方向为温度增加的方向，与传热方向相反。 稳定的一维温度场，温度梯度可表示为：grad t = dt/dx
2. 热传导的基本定律——傅立叶定律 物体或系统内导热速率的产生，是由于存在温度梯度的结果，且热流方向和 温度降低的方向一致，即与负的温度梯度方向一致，后者称为温度降度。 傅立叶定律是用以确定在物体各点存在温度差时，因热传导而产生的导热速率大小的定律。 定义：通过等温面导热速率，与其等温面的面积及温度梯度成正比： q = dQ/ds = -λ·dT/dX 式中：q 是热通量（热流密度），W/m2 dQ是导热速率，W dS是等温表面的面积，m2 λ是比例系数，称为导热系数，W/m·℃ dT / dX 为垂直与等温面方向的温度梯度 “－”表示热流方向与温度梯度方向相反 3. 导热系数 将傅立叶定律整理，得导热系数定义式： λ= q/(dT/dX) 物理意义：导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。因此，导热系 数表征物体导热能力的大小，是物质的物性常数之一。其大小取决于物质的组成结构、状态、温度和压强等。 导热系数大小由实验测定，其数值随状态变化很大。 3.1 固体的导热系数 金属：35～420W/(m·℃)，非金属：0.2～3.0W/ (m·℃) 〖说明〗
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前言 本文只是针对小白而写，可以使新手对热传导理论由很浅到不浅的认识，如想更深学习热传导知识，请转其它文档。 一、概念与常量 1、温度场： 指某一时刻下，物体内各点的温度分布状态。 在直角坐标系中：； 在柱坐标系中：； 在球坐标系中：。 补充：根据温度场表达式，可分析出导热过程是几维、稳态或非稳态的现象，温度场是几维的、稳态的或非稳态的。 2、等温面与等温线： 三维物体内同一时刻所有温度相同的点的集合称为等温面； 一个平面与三维物体等温面相交所得的的曲线线条即为平面温度场中的等温线。 3、温度梯度： 在具有连续温度场的物体内，过任意一点P温度变化率最大的方向位于等温线的法线方向上。称过点P的最大温度变化率为温度梯度(temperature gradient)。用grad t表示。 定义为： 补充：温度梯度表明了温度在空间上的最大变化率及其方向，是向量，其正向与热流方向恰好相反。对于连续可导的温度场同样存在连续的温度梯度场。 在直角坐标系中： 3、导热系数 定义式：单位 导热系数在数值上等于单位温度降度(即1)下，在垂直于热流密度的单 位面积上所传导的热流量。导热系数是表征物质导热能力强弱的一个物性参数。 补充：由物质的种类、性质、温度、压力、密度以及湿度影响。 二、热量传递的三种基本方式 热量传递共有三种基本方式：热传导；热对流；热辐射 三、导热微分方程式（统一形式：） 直角坐标系：
圆柱坐标系： 球坐标系： 其中，称为热扩散系数，单位，为物质密度，为物体比热容，为物体导热系数，为热源的发热率密度，为物体与外界的对流交 换系数。 补充： 1处研究的对象为各向同性的、连续的、有内热源、物性参数已知的导热物体。 2稳态温度场，即则有：，此式称为泊松方程。 3无内热源的稳态温度场，则有：，此式称为拉普拉斯方程。 四、单值条件 导热问题的单值条件通常包括以下四项： 1几何条件：表示导热物体的几何形状与大小（一维、二维或三维） 2物理条件：说明导热系统的物理特性（有无内热源） 3初始条件：给出时温度场内各点温度。 数学表达式为 4边界条件：表示导热系统在边界的特征 第一类边界条件（狄利克雷边界条件）：说明物体边界的温度分布： 第二类边界条件（纽曼边界条件）：说明物体边界的热流量： 绝热边界条件 第三类边界条件（纽曼边界条件）：说明物体边界到热量与对流换热的能量平衡关系： 其中为边界处的温度，为边界的热流量，为环境温度。 五、解题步骤：