传热学数值计算大作业2014011673

传热学大作业——二维物体热传导问题的数值解法1.二维热传导问题的物理描述：本次需要解决的问题是结合给定的边界条件，通过二维导热物体的数值解法，求解出某建筑物墙角稳态下的温度分布t以及单位长度壁面上的热流量φ。

1.1关于边界条件和研究对象选取的物理描述：如图所示为本次作业需要求解的建筑物墙壁的截面。

尺寸如图中所标注。

1.2由于墙角的对称性，A-A，B-B截面都是绝热面，并且由于对称性，我们只需要研究墙角的1/4即可(图中阴影部分)。

假设在垂直纸面方向上不存在热量的传递，我们只需要对墙角进行二维问题的研究即可。

1.3 关于导热量计算截面的物理描述：本次大作业需要解决对流边界条件和等温边界条件下两类边界条件的问题。

由于对称性，我们只需研究1/4墙角外表面和内表面的导热量再乘4，即是墙壁的总导热量。

2.二维热传导问题的数学描写：本次实验的墙角满足二维，稳态无内热源的条件，因此：壁面内满足导热微分方程：∂2t ∂x2+∂2t∂x2=0。

在绝热面处，满足边界条件：−λ(∂t∂n)=0。

在对流边界处满足边界条件：−λ(∂t∂n )x=x(x x−x x)3.二维热传导问题离散方程的建立：本次作业中墙角的温度场是一个稳态的连续的场。

本次作业中将1/4墙角的温度场离散化，划分成若干小的网格，每个网格的节点看成以它为中心的一个小区域的代表。

通过这些节点，采用“热平衡法”，建立起相应的离散方程，通过高斯-赛德尔迭代法，得到最终收敛的温度场，从而完成对墙角温度场的数值解。

对1/4墙角的网格划分如下：选取步长Δx=Δy=0.1m，为了方便研究，对导热物体的网格节点进行编码，编码规则如下：x,y坐标轴的方向如图所示，x,y轴的单位长度为步长Δx, 取左下角点为(1,1)点，其他点的标号为其在x,y轴上的坐标。

以此进行编码，进行离散方程的建立。

建立离散方程，要对导热物体中的节点根据其边界条件进行分类（特殊节点用阴影标出）：首先以对流边界条件下的墙角为例1.外壁面上，平直边界节点：建立离散方程：λΔy x x+1,x−x x,xΔx+λΔx2x x,x+1−x x,xΔy+λΔx2x x,x−1−x x,xΔy+hoΔx(x xx−x x,x)=0以(i,j)为中心节点，进一步整理得：x x,x=x2·(x x,x−1+x x,x+1)+x·x x+1,x+xx·Δx·x xx2x+xx·Δx2.外部角点：建立离散方程：ho·Δx(x xx−x x,x)+λΔy2x x,x+1−x x,xΔx+xΔx2·x x,x−1−x x,xΔx=0以(i,j)为中心节点，进一步整理得：x x,x=x2·(x x+1,x+x x,x−1)+xx·Δx·x xxx+xx·Δx3.绝热+对流边界角点：建立离散方程：ho·Δx2·(x xx−x x,x)+xΔx2·x x,x+1−x x,xΔx+xΔx2·x x+1,x−x x,xΔx=0以(i,j)为中心节点，进一步整理得：x x,x=x2·(x x,x+1+x x+1,x)+xx·Δx2·x xxx+xx·Δx24.内部角点：建立离散方程：hi·Δx·(x xx−x x,x)+x·Δx·x x,x+1−x x,xΔx+xΔx·x x−1,x−x x,xΔx+xΔx2·x x+1,x−x x,xΔx+xΔx2·x x,x−1−x x,xΔx=0以(i,j)为中心节点，进一步整理得：x x,x=x2·(x x+1,x+x x,x−1)+x(x x,x+1+x x−1,x)+xx·Δx·x xx3x+xx·Δx5.绝热平直边界节点：建立离散方程：x Δx2·x x,x+1−x x,xΔx+xΔx2·x x,x−1−x x,xΔx+xΔx·x x−1,x−x x,xΔx =0以(i,j)为中心节点，进一步整理得：x x,x=x2·(x x,x−1+x x,x+1)+x·x x−1,x2x6.对于普通内部节点：建立离散方程：xΔx·x x,x+1−x x,xΔx+xΔx·x x,x−1−x x,xΔx+xΔx·x x−1,x−x x,xΔx +xΔxx x+1,x−x x,xΔx=0以(i,j)为中心节点，进一步整理得：x x,x=x·(x x,x−1+x x,x+1+x x−1,x+x x+1,x)4x等温边界条件下：等温边界下内部节点和绝热边界下的节点离散方程与上述5，6式形式相同，在等温壁面处，节点方程只需写成x x,x=x x即可4.方程的求解：由上图可知，本题中有16*12=192个节点，相应地，就会有192个待求解的离散方程。

习题答案（2014年10月15日）1. 解：采用热平衡法列出节点2、3、4的离散方程。

节点2： 整理得同理节点3：节点4：肋端绝热， 肋端对流， 式中/3x H ∆=将题中已知条件代入可得方程组 对于肋端绝热：联立求解得 t 2=92.2℃ t 3=87.7℃ t 4=86.2℃ 对于肋端对流：联立求解得 t 2=91.1℃ t 3=85.4℃ t 4=82.6℃2. 解：首先检验是否可用集总参数法。

为此计算B i V 数：3224/(4)(/)330.02524/()30.006060.033333/()V Rh R R hh V A Bi mW m K W m K ππλλλ⨯===⋅⨯==⋅＜可以用集总参数法。

22413324/()4(0.025)7.74107753/480/()(0.025)hA W m K m s cV kg m J kg K m πρ--⋅⨯⨯==⨯⨯⋅⨯ 据式（3-9）有4030030exp(7.7410)30t t t t τ-∞∞--==-⨯--℃℃450℃℃32122))2()0t t x h t t xxλδλδ∞--++∆⋅-=∆∆t （（t 1322(2)2()0t t t x h t t xλδ∞+-+∆⋅-=∆2433(2)2()0t t t x h t t xλδ∞+-+∆⋅-=∆344344()()0()()()0t t h x t t xt t h x t t xλδλδδ∞∞-+⋅∆-=∆-+⋅∆+-=∆322343432234342.045100.902.0450.901.02250.4502.045100.902.0450.901.03750.80t t t t t t t t t t t t t t -+=⎧⎪-++=⎨⎪-+=⎩-+=⎧⎪-++=⎨⎪-+=⎩由此解得τ=570 s=0.158 h3. 解：先判断本题能否利用集总参数法。

一维非稳态导热的数值解法一、导热问题数值解法的认识（一）背景所谓求解导热问题，就是对导热微分方程在规定的定解条件下的积分求解。

这样获得的解称为分析解。

近100年来，对大量几何形状及边界条件比较简单的问题获得了分析解。

但是，对于工程技术中遇到的许多几何形状或边界条件复杂的导热问题，由于数学上的困难目前还无法得出其分析解。

另一方面，在近几十年中，随着计算机技术的迅速发展，对物理问题进行离散求解的数值方法发展十分迅速，并得到日益广泛的应用。

这些数值方法包括有限差分法、有限元法及边界元法等。

其中，有限差分法物理概念明确，实施方法简便，本次大作业即采用有限差分法。

（二）基本思想把原来在时间、空间坐标系中连续的物理量的场，如导热物体的温度场，用有限个离散点上的值的集合来代替，将连续物理量场的求解问题转化为各离散点物理量的求解问题，将微分方程的求解问题转化为离散点被求物理量的代数方程的求解问题。

（三）基本步骤（1）建立控制方程及定解条件。

根据具体的物理模型，建立符合条件的导热微分方程和边界条件。

（2）区域离散化。

用一系列与坐标轴平行的网格线把求解区域划分成许多子区域，以网格线的交点作为需要确定温度值的空间位置，称为节点。

每一个节点都可以看成是以它为中心的一个小区域的代表，将小区域称之为元体。

（3）建立节点物理量的代数方程。

建立方法主要包括泰勒级数展开法和热平衡法。

（4）设立迭代初场。

（5）求解代数方程组。

（6）解的分析。

对于数值计算所获得的温度场及所需的一些其他物理量应作仔细分析，以获得定性或定量上的一些结论。

对于不符合实际情况的应作修正。

二、问题及求解（一）题目一厚度为0.1m 的无限大平壁，两侧均为对流换热边界条件，初始时两侧流体温度与壁内温度一致，1205f f t t t ===℃；已知两侧对流换热系数分别为h 1=11 W/m 2K 、h 2=23W/m 2K ，壁的导热系数λ=0.43W/mK ，导温系数a=0.3437×10-6 m 2/s 。

计算传热学作业1、 一块厚度为2h=200mm 的钢板，放入T f =1000℃的炉子中加热，两表面换热系数h=174W/(m 2.℃),钢板的导热系数k=34.8 W/(m. ℃),热扩散率a=5.55×10-6m 2/s,初始温度T i =20℃. 求温度场的数值解；分别用显示、C-N 、隐式 解： 1、数学模型该问题属于典型的一维非稳态导热问题。

由于钢板两面对称受热，板内温度分布必以其中心截面为对称面。

因此，只要研究厚度为δ的一半钢板即可。

将x 轴的原点置于板的中心截面上。

这一半钢板的非稳态导热的数学描述为2、计算区域离散化：该一维非稳态导热问题可当做二维问题处理，有时间坐标τ和空间坐标x 。

采用区域离散方法A ，将空间区域等分为m 个子区域，得到m+1个节点。

如下图所示，纵坐标为时间，从一个时到另一个时层的间隔即时间步长为∆t ,每个时层都会对下一时层产生影响。

空间与时间网格交点(i ，k )，代表了时空区域的一个节点，其温度为，离散方法如下图。

综合考虑计算效率同时保证数值计算格式的稳定性，本文取空间步长∆x =0.01m ，时间步长∆t =5s ，对半平板空间的离散共得到11个节点。

x TaT 22∂∂=∂∂τ==τT T 00==∂∂x xT δλ=-=∂∂-x T T h xT f )(图 时间-空间区域离散化3、离散方程组对于一维非稳态方程，扩散项采用中心差分，非稳态项取时间向前差分。

扩散项根据时层采用不同的处理方法，得到了三种格式的离散方程组，即显式、隐式、C-N 格式，等式左右分属不同的时层。

（1） 显示差分格式： 内部节点：()]][[]][1[]][[2]][1[]1][[2j i T j i T j i T j i T xt a j i T +-+*-+∆∆*=+左边界：]][0[21]][1[2]1][0[22j T x t a j T xt a j T ⎪⎭⎫⎝⎛∆∆**-+∆∆**-=+ 右边界：()f T j T x k t a h j T x t a j T xt a j T -∆*∆***+⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆**-+∆∆**-=+]][10[2]][10[21]][9[2]1][10[22（2） 隐式差分格式： 内部节点：]][[]1][1[]1][[21]][1[222j i T j i T x t a j i T x t a j i T x t a -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-∆∆*++⎪⎭⎫⎝⎛∆∆**+-+∆∆* 左边界：]][0[]1][0[)21(]1][1[222j T j T xt a j T xt a -=+∆∆**+-+∆∆**右边界：]][10[2]1][9[)2]1][10[)21(2j T xk t h a j T xt a j T xk t h a +∆*∆***=+∆∆**++∆*∆***+（3）C-N 差分格式：内部节点：()]][1[]][[2]][1[2]][[]1][1[]1][[21]1][1[22222j i T j i T j i T x t a j i T j i T x t a j i T x t a j i T x t a -+-+∆*∆*--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-∆∆*++⎪⎭⎫⎝⎛∆∆**+-++∆*∆*左边界：]][1[]][0[)1(]1][1[)]1][0[)1(222j T j T xt a j T xt a j T xt a -∆∆*--=+∆∆*++∆∆*--右边界：fT xk t h a j T xt a j T xt a xk t h a j T xt a j T xt a xk t h a ∆*∆***-∆∆*-∆∆*+∆*∆**--=+∆∆*++∆∆*-∆*∆**--2]][9[]][10[)1(]1][9[)]1][10[)1(22224、计算结果源程序代码： 显式：#include<stdio.h>#include<time.h> #include<cstdlib> #include<math.h> #include<stdlib.h> #include <process.h> double T[11][5000]; main()int i,j;double k;/*µ¼ÈÈϵÊý*/double h;/*»»ÈÈϵÊý*/double a;/*ÈÈÀ©É¢ÂÊ*/double x1,t1;/*x1±íʾλÖò½³¤£¬ti±íʾʱ¼ä²½³¤*/ double T0;/*T0±íʾ³õʼζÈ*/double Tf;/*Tf±íʾ¯ÎÂ*/double p,q;h=174;k=34.8;a=0.00000555;T0=20;Tf=1000;x1=0.01;t1=5;/*T[199][j]=(T[198][j]+h*x1*Tf/k)/(1+h*x1/k);*/for(i=0;i<=10;i++) T[i][0]=T0;for(j=0;j<4999;j++){ T[0][j+1]=2*a*t1*(T[1][j]-T[0][j])/(x1*x1)+T[0][j];for(i=1;i<10;i++){p=a*(T[i+1][j]-2*T[i][j]+T[i-1][j])/(x1*x1);/*q=(T[i][j+1]-T[i][j])/t1;q=p;*/T[i][j+1]=p*t1+T[i][j];}T[10][j+1]=2*h*a*t1*(Tf-T[10][j])/(x1*k)+2*a*t1*(T[9][j]-T[10][j])/(x1*x1)+T[10][j];}for(i=0;i<=10;i++){printf("%f",T[i][4999]);/*´òÓ¡Êä³ö*/printf("\n");}system("pause");}隐式：#include<stdio.h>#include<time.h>#include<cstdlib>#include<math.h>#include<stdlib.h>#include <process.h>double T[11][5000];main(){int i,j;double k;/*µ¼ÈÈϵÊý*/double h;/*»»ÈÈϵÊý*/double a;/*ÈÈÀ©É¢ÂÊ*/double x1,t1;/*x1±íʾλÖò½³¤£¬t1±íʾʱ¼ä²½³¤*/ double T0;/*T0±íʾ³õʼζÈ*/double Tf;/*Tf±íʾ¯ÎÂ*/double A[11],B[11],C[11],D[11],P[11],Q[11];h=174;k=34.8;a=0.00000555;T0=20;Tf=1000;x1=0.01;t1=5;for(i=0;i<=10;i++)T[i][0]=T0;for(j=1;j<=4999;j++){for(i=1;i<=9;i++) A[i]=a*t1/(x1*x1);A[0]=0;A[10]=2*a*t1/(x1*x1);for(i=0;i<=9;i++)B[i]=-(1+2*a*t1/(x1*x1));B[0]=-(1+2*a*t1/(x1*x1));B[10]=-(1+2*a*t1*h/(k*x1))-2*a*t1/(x1*x1);for(i=1;i<=9;i++)C[i]=a*t1/(x1*x1);C[0]=2*a*t1/(x1*x1);C[10]=0;for(i=0;i<=9;i++)D[i]=-T[i][j-1];D[10]=-2*a*t1*h*Tf/(k*x1)-T[10][j-1];for(i=1;i<=10;i++){A[i] = A[i] / B[i-1];B[i] = B[i] - C[i-1] * A[i];D[i] = D[i] - A[i] * D[i-1];}T[10][j] = D[10] / B[10];for(i=9;i>=0;i--)T[i][j] = (D[i] - C[i] * T[i+1][j]) / B[i];}for(i=0;i<=9;i++){printf("%f",T[i][4999]);/*´òÓ¡Êä³ö*/printf("\n");}system("pause");}C-N：#include<stdio.h>#include<time.h>#include<cstdlib>#include<math.h>#include<stdlib.h>#include <process.h>double T[11][5000];main(){int i,j;double k;/*µ¼ÈÈϵÊý*/double h;/*»»ÈÈϵÊý*/double a;/*ÈÈÀ©É¢ÂÊ*/double x1,t1;/*x1±íʾλÖò½³¤£¬t1±íʾʱ¼ä²½³¤*/double T0;/*T0±íʾ³õʼζÈ*/double Tf;/*Tf±íʾ¯ÎÂ*/double A[11],B[11],C[11],D[11],P[11],Q[11];h=174;k=34.8;a=0.00000555;T0=20;Tf=1000;x1=0.01;t1=5;for(i=0;i<=10;i++)T[i][0]=T0;for(j=1;j<=4999;j++){for(i=1;i<=9;i++) A[i]=a*t1/(2*x1*x1);A[0]=0;A[10]=a*t1/(x1*x1);for(i=0;i<=9;i++)B[i]=-(1+a*t1/(x1*x1));B[0]=-(1+a*t1/(x1*x1));B[10]=-(1+a*t1*h/(k*x1))-a*t1/(x1*x1);for(i=1;i<=9;i++)C[i]=a*t1/(2*x1*x1);C[0]=a*t1/(x1*x1);C[10]=0;for(i=1;i<=9;i++)D[i]=-T[i][j-1]-(a*t1/(2*x1*x1))*(T[i+1][j-1]-2*T[i][j-1]+T[i-1][j-1]);D[0]=(-1+a*t1/(x1*x1))*T[0][j-1]-(a*t1/(x1*x1))*T[1][j-1];D[10]=(-a*t1*h/(k*x1)-a*t1*h/(k*x1))*Tf+(-1+a*t1*h/(k*x1)+a*t1/(x1*x1))*T[10][j-1]-a*t1*T[9][j-1]/(x1*x1);for(i=1;i<=10;i++){A[i] = A[i] / B[i-1];B[i] = B[i] - C[i-1] * A[i];D[i] = D[i] - A[i] * D[i-1];}T[10][j] = D[10] / B[10];for(i=9;i>=0;i--)T[i][j] = (D[i] - C[i] * T[i+1][j]) / B[i];}for(i=0;i<=9;i++){printf("%f",T[i][4999]);/*´òÓ¡Êä³ö*/printf("\n");}system("pause");}。

传热学数值计算大作业传热学数值计算大作业一选题《传热学》第四版P179页例题 4-3二相关数据及计算方法1．厚2δ=0.06m的无限大平板受对称冷却，故按一半厚度作为模型进行计算2. δ=0.03m，初始温度t0=100℃,流体温度t∞=0℃；λ=40W/(m.K),h=1000W/(m2.K),Bi=h*△x/λ=0.25；3.设定Fo=0.25和Fo=1两种情况通过C语言编程（源程序文件见附件）进行数值分析计算；当Fo=0.25时，Fo<1/(2*(1+Bi)),理论上出现正确的计算结果；当Fo=1时，Fo>1/(2*(1+Bi))，Fo>0.5,理论上温度分布出现振荡，与实际情况不符。

三网格划分将无限大平面的一半划分为6个控制体，共7个节点。

△x=0.03/N=0.03/6=0.005，即空间步长为0.005m四节点离散方程绝热边界节点即i=1时，tij+1=2Fo△ti+1j+(1-2Fo△)tij 内部节点即0tij+1=tij（1-2Fo△Bo△-2Fo△）+2Fo△ti-1j+2Fo△Bo△tf五温度分布线图（origin）六结果分析1 空间步长，时间步长对温度分布的影响空间步长和时间步长决定了Bo和Fo，两者越小计算结果越精确，但同时计算所需的时间就越长。

2 Fo数的大小对计算结果的影响编程时对Fo=1及0.25的情况分别进行了计算，发现当Fo=1时，各点温度随时间发生振荡，某点的温度高反而会使下一时刻的温度变低，违反了热力学第二定律，因此在计算中对Fo的选取有限制。

为了保证各项前的系数均为正值，对于内节点，Fo>0.5；对于对流边界节点，Fo<1/(2*(1+Bi))。

3 备注在Fo=0.25时，为了反映较长时间后温度的分布，取T=600,并选取了其中部分时刻的温度输出进行画图。

图像显示，随着时间的增长，各点温度趋向一致。

而当Fo=1时由于结果会出现振荡，只取T=6观察即可。

传热学数值计算作业数值解程序：tw1=40 %三边温度tw2=100 %一边温度正弦变化幅度l1=40 %板长L1:40厘米l2=20 %板宽L2:20厘米m=41 %分划成40*20的网格n=21k=2dx=l1/(m-1)c=ones(n,m)for i=1:ma2(i)=tw1+tw2*sin(pi*dx*(i-1)/l1)c(1,i)=tw1 ,c(n,i)=a2(i)endfor j=1:nc(j,1)=tw1c(j,m)=tw1endwhile (abs(c(j,i)-k)>0.0001)k=c(j,i)for i=2:m-1for j=2:n-1c(j,i)=0.25*(c(j,i-1)+c(j,i+1)+c(j-1,i)+c(j+1,i)) endendend数值解中各网格点的温度值：数值二维温度分布图像：解析解程序： tw1=40 tw2=100 l1=40 l2=20 p=40 q=20 x(1)=0 for i=1:px(i+1)=x(i)+1 end y(1)=0 for j=1:qy(j+1)=y(j)+1 endfor i=1:p+1 for j=1:q+1n(j,i)=tw1+tw2*sinh(pi*y(j)/l1)*sin(pi*x(i)/l1)/sinh(pi*l2/l1) end end各网格点用解析式得到的温度值：50L1/cmnumerical calculation 2D temperature distributionL2/cmt e m p e r a t u r e /c e l s i u s d e g r e e解析二维温度分布图像：误差分析：取x=21，即位于板长一半处，温度随y （宽度）的变化曲线。

c1(:,1) 取自于数值解， c1(:,2) 取自于解析解 c1(:,1) c1(:,2) 40.0000 40.0000 43.3106 43.4164 46.6465 46.8538 50.0313 50.3335 53.4889 53.8771 57.0430 57.5062 60.7178 61.2434 64.5376 65.1117 68.5273 69.1350 72.7122 73.3381 77.1187 77.7470 81.7736 82.3888 86.7050 87.2922 91.9423 92.4875 97.5162 98.0068 103.4592 103.8840 109.8058 110.1555 116.5925 116.8600 123.8586 124.0388 131.6461 131.7363 140.0000 140.000050L1/cmanalytical method 2D temperature distributionL2/cmt e m p e r a t u r e /c e l s i u s d e g r e e误差曲线：由相对误差公式：d1= (c1(:,2) -c1(:,1))./ c1(:,2) 可得： d1 = 0 0.0024 0.0044 0.00600.00720.0081 0.0086 0.0088 0.0088 0.0085 0.0081 0.0075 0.0067 0.0059 0.0050 0.0041 0.0032 0.0023 0.0015 0.0007 0结论：数值解与解析解吻合很好。

传热学数值计算大作业航14 艾迪2011011537 如图所示，有一个正方形截面的无限长的水泥柱，热导率为，密度为，比热容为。

水泥柱的边长为。

水泥柱的左侧靠墙，可以认为保持温度为。

水泥柱被包围在温度为°的热空气中。

三个面上均只考虑对流换热，并且对流换热系数分别为，，。

请编写程序数值求解该稳态导热问题（可使用Fortran 或C 或Matlab 语言）。

作业要求提交源代码和报告，报告内容包括：（1） 给出该导热问题的数学描述； （2） 描述所采用的差分格式和求解过程；（3） 验证求解结果的准确性，给出网格无关性验证； （4） 给出求解结果（温度云图、边界热流、平均温度等）； （5） （选做）讨论对流换热系数、热导率等参数对求解结果的影响。

解：(1)、因为无内热源，温度分布：222201230(0,0)(x,0)t(0,y)t ,((x,0))(,y)(x,)((,y)),((x,H))f f f t tx H y H x ydt h t t dx dt H dt H h t H t h t t dx dxλλλ∂∂+=<<<<∂∂⎧=-=-⎪⎪⎨⎪-=--=-⎪⎩（2）、采用热平衡法建立内节点和边界节点的离散方程，x 、y 方向各取n 个节点，即()()11n n -⨯- 个网格，且x y ∆=∆ 。

对于任意内节点（i ，j ），有:,1,1,,1,1t (t t t t )/4i j i j i j i j i j -+-+=+++D边界三边界一边界节点：边界1、 1,0(1j )j t t n =≤≤边界2、11,1,21,11,1h 2h 2(2)t 2t t t (1k n)k k k k f xxt λλ-+∆∆+=+++<<边界3、22,k n 1,k n,k 1,k 1h 2h 2(2)t 2t t t (1k n)n n f xxt λλ--+∆∆+=+++<<边界4、33k,n k,n 11,n k 1,n h 2h 2(2)t 2t t t (1k n)k fxxt λλ--+∆∆+=+++<<C 点、2121n,1n 1,1n,2(h h )(h )(2)t t t f xh xt λλ-+∆+∆+=++D 点、2323n,n ,n 11,n (h h )(h )(2)t t t n n f xh xt λλ--+∆+∆+=++(3)、由于各个节点都写成了差分显示表达，可用高斯—赛德尔迭代法求解。

传热学大作业传热学大作业——二维物体热传导问题的数值解法1.二维热传导问题的物理描述：本次需要解决的问题是结合给定的边界条件，通过二维导热物体的数值解法，求解出某建筑物墙角稳态下的温度分布t以及单位长度壁面上的热流量φ。

1.1关于边界条件和研究对象选取的物理描述：如图所示为本次作业需要求解的建筑物墙壁的截面。

尺寸如图中所标注。

1.2由于墙角的对称性，A-A，B-B截面都是绝热面，并且由于对称性，我们只需要研究墙角的1/4即可(图中阴影部分)。

假设在垂直纸面方向上不存在热量的传递，我们只需要对墙角进行二维问题的研究即可。

1.3 关于导热量计算截面的物理描述：本次大作业需要解决对流边界条件和等温边界条件下两类边界条件的问题。

由于对称性，我们只需研究1/4墙角外表面和内表面的导热量再乘4，即是墙壁的总导热量。

2.二维热传导问题的数学描写：本次实验的墙角满足二维，稳态无内热源的条件，因此：壁面内满足导热微分方程：∂2t ∂x +∂2t∂y=0。

在绝热面处，满足边界条件：−λ(∂t∂n)=0。

在对流边界处满足边界条件：−λ(∂t)w=ℎ(t w−t f)3.二维热传导问题离散方程的建立：本次作业中墙角的温度场是一个稳态的连续的场。

本次作业中将1/4墙角的温度场离散化，划分成若干小的网格，每个网格的节点看成以它为中心的一个小区域的代表。

通过这些节点，采用“热平衡法”，建立起相应的离散方程，通过高斯-赛德尔迭代法，得到最终收敛的温度场，从而完成对墙角温度场的数值解。

对1/4墙角的网格划分如下：选取步长Δx=Δy=0.1m，为了方便研究，对导热物体的网格节点进行编码，编码规则如下：x,y坐标轴的方向如图所示，x,y轴的单位长度为步长Δx, 取左下角点为(1,1)点，其他点的标号为其在x,y轴上的坐标。

以此进行编码，进行离散方程的建立。

建立离散方程，要对导热物体中的节点根据其边界条件进行分类（特殊节点用阴影标出）：首先以对流边界条件下的墙角为例1.外壁面上，平直边界节点：建立离散方程：λΔy t i+1,j−t i,jΔx+λΔx2t i,j+1−t i,jΔy+λΔx t i,j−1−t i,j+hoΔx(t fo−t i,j)=0以(i,j)为中心节点，进一步整理得：t i,j=λ2·(t i,j−1+t i,j+1)+λ·t i+1,j+ℎo·Δx·t fo2.外部角点：建立离散方程：ho·Δx(t fo−t i,j)+λΔy2ti,j+1−ti,jΔx+λΔx2·t i,j−1−t i,jΔy=0以(i,j)为中心节点，进一步整理得：t i,j=λ2·(t i+1,j+t i,j−1)+ℎo·Δx·t foλ+ℎo·Δx3.绝热+对流边界角点：建立离散方程：ho·Δy2·(t fo−t i,j)+λΔx2·t i,j+1−t i,jΔy+λΔy2·t i+1,j−t i,jΔx=0以(i,j)为中心节点，进一步整理得：t i,j=λ2·(t i,j+1+t i+1,j)+ℎo·Δy2·t foλ+ℎo·Δy24.内部角点：建立离散方程：hi·Δx·(t fi−t i,j)+λ·Δx·t i,j+1−t i,jΔy+λΔy·t i−1,j−t i,jΔx+λΔy2·t i+1,j−t i,jΔx+λΔx2·t i,j−1−t i,jΔx=0以(i,j)为中心节点，进一步整理得：t i,j=λ2·(t i+1,j+t i,j−1)+λ(t i,j+1+t i−1,j)+ℎi·Δx·t fi3λ+ℎi·Δx5.绝热平直边界节点：建立离散方程：λΔx2·t i,j+1−t i,jΔy+λΔx2·t i,j−1−t i,jΔx+λΔy·t i−1,j−t i,jΔx=0以(i,j)为中心节点，进一步整理得：t i,j=λ2·(t i,j−1+t i,j+1)+λ·t i−1,j6.对于普通内部节点：建立离散方程：λΔx·t i,j+1−t i,jΔy+λΔx·t i,j−1−t i,jΔy+λΔy·t i−1,j−t i,jΔx+λΔyt i+1,j−t i,jΔx=0以(i,j)为中心节点，进一步整理得：t i,j=λ·(t i,j−1+t i,j+1+t i−1,j+t i+1,j)4λ等温边界条件下：等温边界下内部节点和绝热边界下的节点离散方程与上述5，6式形式相同，在等温壁面处，节点方程只需写成t i,j=t w即可4.方程的求解：由上图可知，本题中有16*12=192个节点，相应地，就会有192个待求解的离散方程。

传热学数值计算大作业传热学是研究物体内部和之间热量传递的科学，其应用范围广泛，例如在工程领域中，传热学的数值计算被广泛用于优化热传递过程，提高能源利用效率。

本文将介绍传热学数值计算的大作业，主要内容包括问题陈述、计算方法和结果分析等。

问题陈述：本次大作业的问题是研究一个热管的热传递特性。

具体来说，热管由内外两个半圆形的金属管组成，内管壁与外管壁之间是一种导热的传热介质。

问题要求计算热管内外壁的温度分布，并分析传热过程的效率和优化热管的设计。

计算方法：计算热传递过程需要运用一些热传导定律和传热方程。

首先，根据Fourier 热传导定律，可得到内外壁的温度梯度。

然后，使用热传导方程来描述热传递过程，其中包括热扩散项和传热源项。

在计算热传导时需要注意材料的热导率、导热介质的热传导性质等参数。

在计算中，可以使用一些数值方法来离散化热传导方程，例如有限差分法、有限元法等。

其中，有限差分法是一种常见的数值方法。

通过将热传导方程中的导数用差分表达式替代，可以将偏微分方程转化为代数方程。

然后，可以使用迭代方法求解代数方程，得到温度分布的数值解。

结果分析：通过数值计算，可以得到热管内外壁的温度分布。

根据温度分布，可以分析热传递过程中的热流分布和传热效果。

例如，可以计算内外壁之间的热传导率，评估热管的热传递效率。

同时，可以对热管的设计进行优化。

例如，可以通过改变热导率高低、加大导热介质的厚度等方式，来提高热传递效果。

此外，对于热管的材料选择和导热介质的设计，还可以进行参数敏感性分析。

通过改变各个参数的数值，可以研究其对热传递过程的影响程度。

这有助于优化热管的设计，并提供一些实际应用方面的建议。

总结：传热学的数值计算是研究热传递现象的重要工具，可以帮助我们深入了解传热过程，优化传热装置的设计。

通过本次大作业，我们可以学习和练习传热学数值计算的方法和技巧，提升对传热现象的理解和分析能力。

希望通过这次大作业，能够更好地应用所学知识，解决实际问题。

传热学大作业——二维物体热传导问题的数值解法1.二维热传导问题的物理描述：本次需要解决的问题是结合给定的边界条件，通过二维导热物体的数值解法，求解出某建筑物墙角稳态下的温度分布t以及单位长度壁面上的热流量φ。

1.1关于边界条件和研究对象选取的物理描述：如图所示为本次作业需要求解的建筑物墙壁的截面。

尺寸如图中所标注。

1.2由于墙角的对称性，A-A，B-B截面都是绝热面，并且由于对称性，我们只需要研究墙角的1/4即可(图中阴影部分)。

假设在垂直纸面方向上不存在热量的传递，我们只需要对墙角进行二维问题的研究即可。

关于导热量计算截面的物理描述：本次大作业需要解决对流边界条件和等温边界条件下两类边界条件的问题。

由于对称性，我们只需研究1/4墙角外表面和内表面的导热量再乘4，即是墙壁的总导热量。

2.二维热传导问题的数学描写：本次实验的墙角满足二维，稳态无内热源的条件，因此：壁面内满足导热微分方程：。

在绝热面处，满足边界条件：。

在对流边界处满足边界条件：3.二维热传导问题离散方程的建立：本次作业中墙角的温度场是一个稳态的连续的场。

本次作业中将1/4墙角的温度场离散化，划分成若干小的网格，每个网格的节点看成以它为中心的一个小区域的代表。

通过这些节点，采用“热平衡法”，建立起相应的离散方程，通过高斯-赛德尔迭代法，得到最终收敛的温度场，从而完成对墙角温度场的数值解。

对1/4墙角的网格划分如下：选取步长，为了方便研究，对导热物体的网格节点进行编码，编码规则如下：x,y坐标轴的方向如图所示，x,y轴的单位长度为步长, 取左下角点为(1,1)点，其他点的标号为其在x,y轴上的坐标。

以此进行编码，进行离散方程的建立。

建立离散方程，要对导热物体中的节点根据其边界条件进行分类（特殊节点用阴影标出）：首先以对流边界条件下的墙角为例1.外壁面上，平直边界节点：建立离散方程：以(i,j)为中心节点，进一步整理得：2.外部角点：建立离散方程：以(i,j)为中心节点，进一步整理得：3.绝热+对流边界角点：建立离散方程：以(i,j)为中心节点，进一步整理得：4.内部角点：建立离散方程：以(i,j)为中心节点，进一步整理得：5.绝热平直边界节点：建立离散方程：以(i,j)为中心节点，进一步整理得：6.对于普通内部节点：建立离散方程：以(i,j)为中心节点，进一步整理得：等温边界条件下：等温边界下内部节点和绝热边界下的节点离散方程与上述5，6式形式相同，在等温壁面处，节点方程只需写成即可4.方程的求解：由上图可知，本题中有16*12=192个节点，相应地，就会有192个待求解的离散方程。

传热学计算题答案需要依据具体的题目和具体的数据来确定。

以下是一个简单的传热学计算题的示例，并提供了一些可能的解答方法。

题目：在一个直径为6英寸的铜制圆形散热器中，一个1kW的电热元件被放置在中心位置。

假设散热器的热传导系数为100W/m·K，环境温度为25℃，要求在1小时内将电热元件产生的热量散发到周围环境中。

解答：首先，我们需要根据传热方程来计算散热器的散热量。

假设散热器的厚度为d，那么根据传热方程：散热量= 热源功率+ 壁面对流散热量+ 热传导散热量，其中：散热量= 散热面积×散热系数×温差电热元件产生的热量为1kW，即1000W，环境温度为25℃，因此可以列出以下方程：1000 + 2πr2d ×k ×(T - 25) = Q其中，r为散热器半径，d为散热器厚度，k为铜的热传导系数，T为散热器表面温度。

根据题目中给出的铜制圆形散热器的直径和厚度，可以计算出散热面积和散热器表面温度。

假设散热器表面温度与环境温度相同，即T = 25℃。

代入数据后可得：Q = 2π×(6英寸/2)2 ×π×100W/m2 ×(25℃- 25℃) = 3600W即每小时散发出3600瓦的热量。

由于散热器直径为6英寸，厚度为未知数d，因此需要求解方程2πr2d ×k = Q。

解得：d = 0.78mm。

因此，散热器的厚度为0.78毫米。

考虑到实际情况中散热器的厚度通常要大于这个数值，所以这里给出的数值是一个近似值。

另一种可能的解答方法是利用热力学基本公式来进行计算。

假设散热器的表面传热系数为Nu，即努塞尔数，它可以由空气流动和温度分布等因素决定。

在某些情况下，可以使用Nu 数来简化传热计算。

在这种情况下，可以根据热力学基本公式：热量= 质量流量×比热×温度变化来计算散热量。

已知电热元件产生的热量为1kW，环境温度为25℃，铜制圆形散热器的直径为6英寸，即15.24厘米，厚度为未知数d。

数值计算大作业一、用数值方法求解尺度为100mm ×100mm 的二维矩形物体的稳态导热问题。

物体的导热系数λ为1.0w/m ·K 。

边界条件分别为： 1、上壁恒热流q=1000w/m2; 2、下壁温度t1=100℃； 3、右侧壁温度t2=0℃; 4、左侧壁与流体对流换热，流体温度tf=0℃，表面传热系数 h 分别为1w/m2·K 、10 w/m2·K 、100w/m2·K 和1000 w/m2·K;要求：1、写出问题的数学描述；2、写出内部节点和边界节点的差分方程；3、给出求解方法；4、编写计算程序(自选程序语言)；5、画出4个工况下的温度分布图及左、右、下三个边界的热流密度分布图；6、就一个工况下（自选）对不同网格数下的计算结果进行讨论；7、就一个工况下（自选）分别采用高斯迭代、高斯——赛德尔迭代及松弛法（亚松弛和超松弛）求解的收敛性（cpu 时间，迭代次数）进行讨论；8、对4个不同表面传热系数的计算结果进行分析和讨论。

9、自选一种商业软件（fluent 、ansys 等）对问题进行分析，并与自己编程计算结果进行比较验证（一个工况）。

（自选项）1、写出问题的数学描述 设H=0.1m微分方程 22220t tx y∂∂+=∂∂x=0，0<y<H ：()f th t t xλ∂-=-∂ 定解条件 x=H ，0<y<H ：t=t 2 y=0，0<x<H ：t=t1t 1t 2h ；t fq=1000 w/m 2y=H ，0<x<H ：tq yλ∂-=∂ 2、写出内部节点和边界节点的差分方程 内部节点：()()1,,1,,1,,122220m n m n m nm n m n m n t t t t t t x y -+-+-+-++=∆∆左边界： (),1,,1,1,,,022m n m n m n m nm n m n f m n t t t t t t x x h y t t y y y xλλλ-++---∆∆∆-+++∆=∆∆∆右边界： t m,n =t 2上边界： 1,,1,,,1,022m n m n m n m nm n m n t t t t t t y y q x x x x yλλλ-+----∆∆∆+++∆=∆∆∆ 下边界： t m,n =t 13、求解过程利用matlab 编写程序进行求解，先在matlab 中列出各物理量，然后列出内部节点和边界节点的差分方程，用高斯-赛德尔迭代法计算之后用matlab 画图。

数值传热学大作业燃烧室出口换热与流动的数值模拟学院专业班级学号姓名燃烧室出口换热与流动的数值模拟摘要：本文针对稳态、层流、常物性的燃烧室出口的换热与流动问题，采用商业软件FLUENT 进行了数值模拟。

通过数值模拟，本文得到了温度分布和速度分布，计算得到三种流体各自的换热量以及漏斗状壁面两侧烟气和空气的局部的表面对流换热系数。

1物理问题描述某圆柱形燃烧室出口截面结构如图1-1所示，燃烧产生的高温烟气从燃烧室流出后在图1标号为①的位置进入图中漏斗结构，最终从②流出。

冷却水从标号为⑤的位置进入“水套”结构，由⑥流出；常温空气从标号为③的位置流入空气流道，分别与高温烟气和冷却水发生热交换，最终从④流出。

图1-1 燃烧室出口结构：①烟气入口；②烟气出口；③空气流道入口；④空气流道出口⑤冷却水入口；⑥冷却水出口表1给出了该结构的几何参数，漏斗状的结构（图1中标号为A的结构）、水套（图1中标号为B的结构）的壁厚均为5mm，材料为钢，过程是稳态。

给定工况和给定的流体参数如表2所示：表2 工质工矿与流体参数为了方便计算，在数值模拟中，本文做了一些假设：（1）流体的物性都是固定的；（2）流体中的粘性耗散度忽略不计；（3）流动及换热处于稳态、层流、充分发展状态；（4）假设流体流动过程中不存在热辐射的情况。

2控制方程及求解方法考虑几何对称性，将问题简化为一个2D模型，则该问题中的控制方程如下。

连续性方程：动量方程：能量方程：本文采用了SIMPLE算法进行求解。

SIMPLE算法自1972年问世以来在世界各国计算流体力学及计算传热学界得到了广泛的应用，这种算法提出不久很快就成为计算不可压流场的主要方法，随后这一算法以及其后的各种改进方案成功的推广到可压缩流场计算中，已成为一种可以计算任何流速的流动的数值方法。

SIMPLE 算法的基本假设：速度场的假定与压力场的假定各自独立进行，二者无任何联系。

对假定压力场的修正通过已求解的速度场的质量守恒条件得到。

综合计算报告( 2011- 2012 年度第 1 学期)名称：传热学题目：肋片温度和效率数值计算院系：能源动力与机械工程学院班级：热能0906班学号：1091170611学生姓名：宋伟指导教师：周乐平成绩：日期：2011年10月28日一.综合计算的目的与要求1.根据数值分析计算的方法求出其温度分布。

2.根据计算出的温度分布计算肋效率。

3.根据计算结果讨论对流传热系数、材料导热系数和翅片厚度等数值对翅片效率的影响。

二. 综合计算的正文1.数值计算的基本思想对物理问题进行数值求解的基本思想可以概括为：把原来在时间、空间坐标系中连续的物理量的场，如导热物体的温度场，用有限个离散的点上的值的集合来代替，通过求解按一定方法建立起来关于这些值的代数方程，来获得离散点上被求物理量的值。

这些离散点上被求物理量值的集合称为该物理量的数值解。

if i==1&j==1rt(i,j)=(2*db*rt(i,j+1)+2*db*rt(i+1,j)+2*hb*tf/1000)/(4*db+2*hb/1000); elseif i==1&j>1&j<13rt(i,j)=(db*(rt(i,j-1)+rt(i,j+1))+2*db*rt(i+1,j+1)+2*hb*tf/1000)/(4*db+2*hb/1000); elseif i==1&j==13rt(i,j)=(db*(rt(i,j-1)+rt(i+1,j))+2*hb*tf/1000)/(2*db+2*hb/1000); elseif i>=2&i<=8&j==1rt(i,j)=(2*rt(i,j+1)+rt(i-1,j)+rt(i+1,j))/4; elseif rt(i,j)==10^9 continue; elseif rt(i,j)==50 continue;elseif i>=2&i<=28&j==13rt(i,j)=(db*(rt(i-1,j)+rt(i+1,j))+2*db*rt(i,j-1)+2*hb*tf/1000)/(4*db+2*hb/1000); elseif i==29&j==13rt(i,j)=(2*db*rt(i-1,j)+2*db*rt(i,j-1)+2*hb*tf/1000)/(4*db+2*hb/1000); elseif i==29&j>9&j<13rt(i,j)=(rt(i,j-1)+rt(i,j+1)+2*rt(i-1,j))/4; elsert(i,j)=(rt(i-1,j)+rt(i+1,j)+rt(i,j-1)+rt(i,j+1))/4;对于第一类点：首先根据热平衡有：22,,1,1,,1,=⨯∆⨯+⨯∆⨯∆-+⨯∆⨯∆-⨯+⨯∆⨯∆-⨯++-δδδλδλx q x yt t y xt t y xt t w nm n m nm n m nm n m由于其满足第三类边界条件，故：)(q ,n m f w t t h -⨯= 带入数据得：6.18116.190)(45,11,1,,fn m n m n m n m t t t t t +⨯++⨯=+++对于第二类点： 同理16.9116.1)(45t ,11,,fn m n m n m t t t ++⨯=+-对于第三类点： 6.18116.190)(45t 1,,1,1,fn m n m n m n m t t t t +++⨯=-+-对于第四类点： 6.18116.1)(901,,1,fn m n m n m t t t t ++⨯=--对于第五类点： )2(411,1,,1,+--++⨯⨯=n m n m n m n m t t t t对于第六类点： )(41t 1,11,1,,+-+-+++⨯=m n m n m n m n m t t t t对于第七类点： )2(41,1,11,,n m n m n m n m t t t t +-+++⨯⨯=对于第八类点： 16.18116.1)(90,11,,fn m n m n m t t t t ⨯++⨯=++根据此时得出的八类点的迭代关系式得出温度分布，然后利用∑∑∆Θ∆=iiiiA A iη算出其肋片效率。

课程编号：13SD02010340课程名称：传热学上课时间：2014年春季铸件-铸型界面传热理论基础姓名：学号：班级：所在学院：机电工程学院任课教师：帅永摘要：传热是一种普遍存在于自然界中的物理现象。

空间内任意一些物体之间抑或是一个物体内部不同部分间，只要存在着温差，那么，根据热力学第二定律，热量将以某一种方式或同时以某几种方式，自发地从高温处传向低温处直至两者达到相同温度。

传热的方式包括热传导、热对流、热辐射。

在金属凝固过程，铸件和铸型界面传热是上述方式的一个复合传热过程。

当金属液刚充满型腔的那一刻，金属液与铸型之间主要依靠导热进行，同时也伴有一定的自然对流。

金属液开始凝固以后，铸件-铸型界面间开始出现空气间隙。

此时，界面间的传热既有热传导的部分，也有热对流及热辐射部分，三者共同作用影响着界面换热的速率。

关键词：铸件，凝固，复合传热一、研究背景众所周知，铸造作为一个粗放式的行业，因其成品率低、能耗大、污染重等原因，其发展受到了严重的阻碍。

而要改变这种现状，就必须提高铸造生产过程的出品率，缩短生产周期。

国内外许多学者已经开始采用计算机模拟仿真软件，如 AnyCasting、ProCast 等来进行模拟，计算机模拟仿真软件不仅可以对铸件的充型及凝固过程进行可视化的表现，同时也可以对铸造过程中出现的缺陷如缩松、缩孔、夹杂、偏析等以及残余应力分布进行预测。

利用软件给出的结果，铸造工作者可以通过有针对性地改进工艺方案或零件结构，来改善铸件的成品率并缩短生产周期，进而提高企业的生产效率和经济效益。

凝固过程数值模拟的本质就是对凝固过程的物理现象建立数学模型并求解之。

我们知道，在铸造过程中，铸件的凝固过程温度场分布、凝固速率、冷却速率很大程度上取决于金属与模具之间的换热速率，也即界面换热系数。

因此，为了得到可靠的模拟结果，铸造工作者需要将准确的界面换热作为边界条件输入到软件中。

然而，由于凝固过程中换热界面形态的多变性、界面换热系数影响因素的多样性以及小间隙内传热机理（包括热传导、热辐射、热对流）的不确定性，目前还没有一种比较全面完善的方法能够定量的描述界面换热系数。

郑州大学传热学习题集苏小江2014/6/1内容：书中例题和课后习题绪论[例0-1] 某住宅砖墙壁厚为2401=δmm ，其导热系数为6.01=λW/(m 2·K)，墙壁内、外两侧的表面传热系数分别为：)/(5.721K m W h ⋅= ，)/(1022K m W h ⋅=，冬季内外两侧空气的温度分别为：C t f 201=，C t f52-=，试计算墙壁的各项热阻，传热系数以及热流密度。

[例0-2] 一冷库外墙的内壁面温度为C t w 12-=，库内冷冻物及空气温度均为C t f 18-=。

已知壁的表面传热系数为)/(52K m W h ⋅=，壁与物体间的系统辐射系数)/(1.54221K m W C ⋅=、，试计算该壁表面每平方米的冷量损失？并对比对流换热与热辐射冷损失的大小？13、求房屋外墙的散热热流密度q 以及它的内外表面温度 和。

已知：δ=360mm ，室外温度 = -10℃，室内温度=18℃，墙的λ=0.61W/(m.K),内壁表面传热系数h1=87W/(m².K)，外壁h2=124W/(m ².K)。

已知该墙高2.8m ，宽3m ，求它的散热量Φ？15、空气在一根内径50mm,长2.5m的管子内流动并被加热，已知空气平均温度为85℃，管壁对空气的h=73W/m.℃，热流通量q=5110W/2m。

，试确定管壁温度及热流量。

16、已知两平行平壁，壁温分别为=50℃，=20℃，辐射系数 1.2C 3.96，求每平方米的辐射换热量W/2m。

若增加到200℃，辐射换热量变化了多少?第一章 导热理论基础[例1-1]厚度为δ 的无限大平壁，λ为常数，平壁内具有均匀内热源(W/m³)，平壁x=0的一侧绝热， x=δ的一侧与温度为f t 的流体直接接触进行对流换热，表面传热系数h 是已知的，试写出这一稳态导热过程的完整数学描述。

[例1-2] 一半径为R 长度为l 的导线，其导热系数λ为常数。

传热学计算题传热学是研究热的传递过程以及与其他物质和能量之间的相互作用的学科。

在工程领域，传热学计算是非常重要的，可以帮助工程师设计和改进各种设备和系统。

本文将通过一个计算示例来探讨传热学的一些基本概念和计算方法。

假设我们有一个长方体的金属块，其尺寸为2m×1m×0.5m，温度为100℃。

我们想要计算该块体的传热过程，以确定其表面和内部的温度分布。

首先，我们需要确定金属块的热传导性能。

热导率（λ）是描述材料传热性能的物理量，单位为W/(m·K)。

根据金属的种类和温度，我们可以查找到对应的热导率数值。

假设该金属块是铜材料，其温度为100℃时的热导率为400 W/(m·K)。

接下来，我们将应用热传导定律来计算金属块内部的温度分布。

热传导定律可以表示为：q = -λ × A × (∂T/∂x)其中，q为单位时间内通过单位面积的热量传递率，λ为热导率，A 为面积，∂T/∂x为温度梯度。

我们可以将金属块分成若干个切片，以每个切片为单位进行计算。

假设我们将其分成10个切片，每个切片的厚度为0.05m。

首先，我们计算金属块表面的热量传递率。

由于金属块的表面积为2×(2×1+1×0.5+2×0.5) = 14m^2，我们可以将其代入热传导定律的公式中。

q_surface = -λ × A_surface × (∂T/∂x)其中，A_surface为表面积，(∂T/∂x)为温度梯度。

由于金属块的表面温度为100℃，环境温度为25℃，温度梯度为(100-25)/0.05 = 1500 K/m。

将数值代入公式，我们可以计算得到表面的热量传递率为：q_surface = -400 × 14 × 1500 = -8.4 × 10^6 W接下来，我们计算金属块内部的温度分布。