数值传热学第五章1

5-2解：根据课本p158式（5—1a ）得一维稳态无源项的对流－扩散方程如下所示： （取常物性）22x x u ∂∂Γ=∂∂φφρ边界条件如下：L L x x φφφφ====,;,00由（5—2）得方程的精确解为： 11)/(00--=--⋅Pe L x Pe L e e φφφφΓ=/uL Pe ρ将分成15等份，有：L ∆=P Pe 15对于中心差分、一阶迎风、混合格式和QUICK 格式分别分析如下：1）(CD)中心差分节点离散方程： 2)5.01()5.01(11-∆+∆++-=i i i P P φφφ10,2 =i 2）一阶迎风节点离散方程： ∆-∆++++=P P i i i 2)1(11φφφ10,2 =i 3）混合格式当时，节点离散方程：，1=∆P 2)5.01()5.01(11-∆+∆++-=i i i P P φφφ10,2 =i 当时，节点离散方程： ，　10,5=∆P 1-=i i φφ10,2 =i 4）QUICK 格式，节点离散方程： ， ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--++++++=+-∆∆-∆∆+∆)336(81221211111i i i i i i P P P P P φφφφφφ2=i ， ⎥⎦⎤⎢⎣⎡---++++++=+--∆∆-∆∆+∆)35(812212112111i i i i i i i P P P P P φφφφφφφ2≠i用matlab 编程如下：（本程序在x/L=0-1范围内取16个节点进行离散计算，假设y(1)= =0,y(16)==1,程序中Pa 为，x 为题中所提的x/L 。

由于本程序假设y(1)=0φL φ∆P =0,y(16)==1，所以）0φL φy y y y y y L =--=--=--010)1()16()1(00φφφφPa=input('请输入Pa=')x=0:1/15:1Pe=15*Pa;y=(exp(Pe*x)-1)/(exp(Pe)-1)plot(x,y,'-*k') %精确解hold ony(1)=0,y(16)=1;for i=2:15y(i)=((1+0.5*Pa)*y(i-1)+(1-0.5*Pa)*y(i+1))/2;endplot(x,y(1:16),'-or') %中心差分hold onfor i=2:15y(i)=((1+Pa)*y(i-1)+y(i+1))/(2+Pa);endplot(x,y(1:16),'-.>g') %一阶迎风hold onfor i=2:15if Pa==1y(i)=((1+0.5*Pa)*y(i-1)+(1-0.5*Pa)*y(i+1))/2;elsey(i)=y(i-1)endendplot(x,y(1:16),'-+y') %混合格式hold onfor i=2:15if i==2y(i)=y(i+1)/(2+Pa)+(1+Pa)*y(i-1)/(2+Pa)+(Pa/(2+Pa))*(6*y(i)-3*y(i-1)-3*y(i+1))/8 elsey(i)=y(i+1)/(2+Pa)+(1+Pa)*y(i-1)/(2+Pa)+(Pa/(2+Pa))*(5*y(i)-y(i-1)-y(i-2)-3*y(i+1))/8 endendplot(x, y(1:16),'-<b') %QUICK 格式hold onlegend('精确解','中心差分','一阶迎风','混合格式','QUICK 格式')运行结果如下图所示：当 ：1=∆P当：5=∆P当：10=∆P5－3 解：根据课本式(5-19)得：乘方格式：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧<-≤≤--+≤≤->=∆∆∆∆∆∆∆∆10,010,)1.01(100,)1.01(10,055P P P P P P P P D a e E 当时有：1.0=∆P 951.0)1.01.01()1.01(55=⨯-=-=∆P D a e E 301.0/3)()()()()()(===Γ=Γ=∆ee e e e e e e e P u x u u x D ρδρρδ5297.2830951.0951.0=⨯==e E D a 由系数关系可得：∆=-P D a D a e E w W 53.3130)951.01.0((=⨯+=⨯+=∆w e E W D D a P a根据式（5-51g ）得： 205.01.010=⨯=∆∆=tx a P p ρ根据式（4-12）得： （本题方程中无源项）0P W E P a fa fa a ++=当采用隐式时，则得到：1=f 0597.62253.315297.280=++=++=P W E P a fa fa a 即：时，，，，1.0=∆P 5297.28=E a 53.31=W a 20=p a 0597.62=P a 当时，按照以上算法得出：10=∆P ，， ， 0=E a 3=W a 20=p a 5=P a。

第5章作业答案5-2对于5种三点格式来说，一维对流扩散方程都是可以写成下列通用离散形式：P P E E W Wa a a φφφ=+ 其中： [](){}()[]{}()w e W E P w w w W e e e E F F a a a P P A D a P P A D a -++=+=-+=∆∆∆∆0,0,5种三点格式的()∆P A格式()∆P A迎风差分 1混合格式 []|5.01,0|∆-P 指数格式 ()()1exp -∆∆P P对网格Peclet 数为5，10的情形，应该得出如下图的结果，FUD 与混合格式没有振荡，而CD 和QUICK 均有，而且CD 比QUICK 更为严重。

5-3不同网格∆P 数下各系数计算结果如下∆P E aW a 0P a P a 0.1 28.53 31.53 2 62.05910 0 3255-5 四个节点之值如下一阶迎风 混合格式 乘方格式 二阶迎风（边界一阶） 二阶迎风（边界二阶）1φ 94.26 73.96 79.01 58.57 91.122φ 147.61 91.10 115.13 76.65 144.19 3φ 82.14 72.40 74.19 69.33 81.34 4φ 126.99 85.31 102.70 87.38 124.505-7不计扩散项，采用QUICK 离散i 控制容积的非稳态与对流项得：12117338n nn n n ni i i i i i x utφφφφφφ+--+--++∆=-∆ （(0)u >采用离散扰动分析法，对i+1得到扰动为78n i u t ρε∆，对i-1 得到扰动为38ni u t xε∆-∆，符号不变原则要求：0832≥∆Γ∆+∆∆-ninin i x t x t u εερερ，由此得：38≤=Γ∆∆P xu ρ5-9根据三阶迎风格式的定义：⎪⎩⎪⎨⎧<∆--+->∆+-+=∂∂-++--+0,62360,6632112211u x u xx i i i i i i i i φφφφφφφφφ仿照QUICK 格式，令三阶迎风格式的控制容积右界面上的值的形式为：⎪⎩⎪⎨⎧<+--+>+--+=0,220,22u a u a EEE P E P WP E E P e φφφφφφφφφφφ同理可以写出w φ的计算式。

第5章 非稳态问题的求解方法1.1 通用输运方程()()()()()t t f q Γv tφφρφρφφ,grad div div =++-=∂∂ ( 5-1 )5.1 显式Euler 方法考虑1D, 定速度，常物性，无源项的特例22xx u t ∂∂Γ+∂∂-=∂∂φρφφ ( 5-2 ) 时间向前，空间中心差分，得FD 与FV 相同形式代数方程()t x x u nin i n i n i n i nin i∆⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆-+Γ+∆--+=-+-++21111122φφφρφφφφ( 5-3 ) 可写成()ni n i n i n i c d c d d 1112221-++⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=φφφφ ( 5-4 ) 其中()xtu c and x t d ∆∆=∆Γ∆=2ρ ( 5-5 ) d 表示时间步长与特征扩散时间()Γ∆/2ξρ的比。

后者代表一个扰动由于扩散通过∆x 一段距离所需时间。

c 表示时间步长与特性对流传递时间x u ∆/的比。

后者代表一个扰动由于对流通过∆x 一段距离所需时间。

c 成为Courant number, 为CFD 中一个关键的参数。

此格式为时间为1阶精度，空间为2阶精度。

方程（4）内的系数在某些条件下，可能会是负值。

用矩阵表示：n n A φφ=+1 ( 5-6 )观察函数：()∑---=-=in i ni n n 211φφφφε( 5-7 )如果系数矩阵A 的本征值中有大于1，则ε随着n 的增加而增加。

如果本征值全部小于1，则ε是递减的。

一般本征值很难求得，对于本特例，它的解可用复数形式表示ji n n j e ασφ= ( 5-8 )其中，α为波数，可取任意值。

∙ 无条件发散：φn 无条件随n 增加→|σ|>1 ∙无条件稳定：φn 无条件随n 降低→|σ|<1代入差分方程，得到本征值为：()αασsin 2cos 21c i d +1-+= ( 5-9 )考虑特殊情况，∙ 无扩散：d=0, →σ >0, 无条件发散，充分条件∙无对流：c=0, →当cos α= -1时，σ最大，→d<1/2，无条件收敛，充分条件从另一个稳定条件考虑，要求系数矩阵A 的所有系数为正，可得到类似稳定性条件：（充分条件）d c d 2and 5.0<<( 5-10 )第一个条件要求()Γ∆<∆22x t ρ ( 5-11 )表示，每当∆x 减少一半，时间步长需减少到1/4. 第二个条件要求2Pe or2<<Γ∆cell xu ρ ( 5-12 )这同前述的用1D 稳态对流/扩散问题的CDS 要求是一致的。