第四章-传热学数值计算方法
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导热问题的数值求解方法数值解法的基本思想是用空间和时间区域内有限个离散点(称为节点)上温度的近似值,代替物体内实际的连续温度分布,然后由导热方程和边界条件推导出各节点温度间的相互关系的代数方程组(称为离散方程),求解此方程组,得到节点上的温度值,此即物体中温度场的解。
只要节点分布的足够稠密,数值解就有足够的精度。
求解导热问题的数值方法有有限差分法及有限元法,近几年又发展了边界元法和有限分析法。
数值方法适用于求解各种导热问题,不管物体的几何形状有多复杂,不管线性或非线性问题,都能使用。
由于计算机的飞速发展,计算技术软件发展也很快,数值方法的的地位越来越重要。
1 数值求解的基本思路及稳态导热内节点离散方程的建立一、 解法的基本思路1、基本思路:数值解法的求解过程可用框图4-1表示。
由此可见:1)物理模型简化成数学模型是基础;2)建立节点离散方程是关键;3)一般情况微分方程中,某一变量在某一坐标方向所需边界条件的个数等于该变量在该坐标方向最高阶导数的阶数。
二、稳态导热中位于计算区域内部的节点离散方程的建立方法1、基本方法方法:①泰勒级数展开法;②热平衡法。
1)泰勒级数展开法如图4-3所示,以节点(m,n)处的二阶偏导数为例,对节点(m+1,n)及(m-1,n)分别写出函数t 对(m,n)点的泰勒级数展开式:对(m+1,n):+∂∂∆+∂∂∆+∂∂∆+∂∂∆+=+444333,222,,,12462x t x x t x x t x x t x t t n m n m n m n m (a )对(m-1,n ):+∂∂∆+∂∂∆-∂∂∆+∂∂∆-=-444333,222,,,12462x t x x t x x t x x t xt t n m n m n m n m (b )(a )+(b )得: +∂∂∆+∂∂∆+=+-+444,222,,1,1122x t x x t x t t t n m n m n m n m 变形为n m x t,22∂∂的表示式得:n m x t,22∂∂)(0222,1,,1x x t t t nm n m n m ∆+∆+-=-+ 上式是用三个离散点上的值计算二阶导数n m x t ,22∂∂的严格表达式,其中:)(02x ∆―― 称截断误差,误差量级为2x ∆在数值计算时,用三个相邻节点上的值近似表示二阶导数的表达式即可,则相应的略去)(02x ∆。