西交——数值传热学部分习题答案
习题4-2
一维稳态导热问题的控制方程:
022=+??S x
T
λ 依据本题给定条件,对节点2
节点3采用第三类边界条件具有二阶精度的差分格式,最后得到各节点的离散方程: 节点1: 1001=T
节点2: 1505105321-=+-T T T 节点3:
75432=+-T T 求解结果:
852=T ,403=T
对整个控制容积作能量平衡,有:
02150)4020(15)(3=?--?=?+-=?+x S T T h x S q f f B
即:计算区域总体守恒要求满足
习题4-5
在4-2习题中,如果25
.03)(10f T T h -?=,则各节点离散方程如下:
节点1: 1001=T
节点2: 1505105321-=+-T T T
节点3:
25.03325.032)20(4015])20(21[-?+=-?++-T T T T
对于节点3中的相关项作局部线性化处理,然后迭代计算; 求解结果:
818.822=T ,635.353=T (迭代精度为10-4)
迭代计算的Matlab 程序如下: x=30; x1=20;
while abs(x1-x)>0.0001
a=[1 0 0;5 -10 5;0 -1 1+2*(x-20)^(0.25)]; b=[100;-150; 15+40*(x-20)^(0.25)]; t=a^(-1)*b; x1=x; x=t(3,1);
end
tcal=t
习题4-12的Matlab程序
%代数方程形式A i T i=C i T i+1+B i T i-1+D i
mdim=10;%计算的节点数
x=linspace(1,3,mdim);%生成A、C、B、T数据的基数;
A=cos(x);%TDMA的主对角元素
B=sin(x);%TDMA的下对角线元素
C=cos(x)+exp(x); %TDMA的上对角线元素
T=exp(x).*cos(x); %温度数据
%由A、B、C构成TDMA
coematrix=eye(mdim,mdim);
for n=1:mdim
coematrix(n,n)=A(1,n);
if n>=2
coematrix(n,n-1)=-1*B(1,n);
end
if n coematrix(n,n+1)=-1*C(1,n); end end %计算D矢量 D=(coematrix*T')'; %由已知的A、B、C、D用TDMA方法求解T %消元 P(1,1)=C(1,1)/A(1,1); Q(1,1)=D(1,1)/A(1,1); for n=2:mdim P(1,n)=C(1,n)/(A(1,n)-B(1,n)*P(1,n-1)); Q(1,n)=(D(1,n)+B(1,n)*Q(1,n-1))/(A(1,n)-B(1,n)*P(1,n-1)); end %回迭 Tcal(1,mdim)=Q(1,mdim); for n=(mdim-1):-1:1 Tcal(1,n)=P(1,n)*Tcal(1,n+1)+Q(1,n); end Tcom=[T;Tcal]; %绘图比较给定T值和计算T值 plot(Tcal,'r*') hold on plot(T) 结果比较如下,由比较可知两者值非常切合(在小数点后8位之后才有区别): 习题4-14 充分发展区的温度控制方程如下: )(1r T r r r x T u c p ????=??λρ 对于三种无量纲定义w b w T T T T --= Θ、∞∞ --=ΘT T T T w 、w w T T T T --=Θ∞进行分析如下 1)由w b w T T T T --= Θ得: w w b T T T T +Θ-=)( 由T 可得: x T x T x T T T x T w b w w b ??Θ-+??Θ=?+Θ-?=??)1(] )[( r T r T T r T T T r T w w b w w b ??Θ-+?Θ?-=?+Θ-?=??)1()(])[( 由b T 与r 无关、Θ与x 无关以及 x T ??、r T ??的表达式可知,除了w T 均匀的情况外,该无量纲温度定义在一般情况下是不能用分离变量法的; 2)由∞ ∞ --= ΘT T T T w 得: ∞∞+Θ-=T T T T w )( 由T 可得: x T x T T T x T w w ??Θ=?+Θ-?=??∞∞] )[( r T r T T r T T T r T w w w ??Θ+?Θ?-=?+Θ-?=??∞∞∞)(])[( 由b T 与r 无关、Θ与x 无关以及 x T ??、r T ??的表达式可知,在常见的四种边界条件中除了轴向及周向均匀热流const q w =的情况外,有0=??r T w ,则该无量纲温度定义是可以用分离变量法的; 3)由w w T T T T --= Θ∞得: w w T T T T +Θ-=∞)( 由T 可得: x T x T T T x T w w w ??Θ-=?+Θ-?=??∞)1(] )[( r T r T T r T T T r T w w w w ??Θ-+?Θ ?-=?+Θ-?=??∞∞)1()(])[( 同2)分析可知,除了轴向及周向均匀热流const q w =的情况外,有0=??r T w ,该无量纲温度定义是可以用分离变量法的; 习题4-18 1)采用柱坐标分析,写出统一的稳态柱坐标形式动量方程: S r r r r r r x x w r v r r r u x +????+????+????=??+??+??)(1)(1)()(1)(1)(θ φλθφλφλφρθφρφρ x 、r 和θ分别是圆柱坐标的3个坐标轴,u 、v 和w 分别是其对应的速度分量,其中x 是 管内的流动方向; 对于管内的层流充分发展有: 0=v 、0=w , 0=??x u ; 并且x 方向的源项:x p S ??-= r 方向的源项:r p S ??-= θ方向的源项:θ??-=p r S 1 由以上分析可得到圆柱坐标下的动量方程: x 方向: 0)(1)(1=??-????+????x p u r r r u r r r θλθλ r 方向: 0=??r p θ方向: 0=??θ p 边界条件: R r =,0=u 0=r ,0=??r u ;对称线上,0=??θu 不考虑液体的轴向导热,并简化分析可以得到充分发展的能量方程为: )( 1)(1θ λθλρ????+????=??T r r r T r r r x T u c p 边界条件: R r =,w q r T =??λ;0=r , 0=??r T πθ/0=,0=??-θ λT 2)定义无量纲流速: dx dp R u U 2 -= λ 并定义无量纲半径:R r /=η;将无量纲流速和无量纲半径代入x 方向的动量方程得: 0))1 ((1))1((122 =??-?-???+?-??? x p U dx dp R R R R U dx dp R R R R θληλθηηλληη η 上式化简得: 01)1(1)(1=+????+????θ ηθηηηηηU U 边界条件: 1=η,0=U 0=η, 0=??η U ;对称线上,0=??θU 定义无量纲温度: λ /0R q T T b -= Θ 其中,0q 是折算到管壁表面上的平均热流密度,即:R q q w π= 0; 由无量纲温度定义可得: b T R q T +Θ= λ 将T 表达式和无量纲半径η代入能量方程得: )(1)(100θ ληλθηηλληηηρ?Θ ???+?Θ???=??R q R R R R q R R R x T u c b p 化简得: )1(1)(10θ ηθηηηηηρ?Θ???+?Θ???=??x T u c q R b p (1) 由热平衡条件关系可以得: m m m b m p b p p RU U q R u u R q A u u dx dT A u c x T u c x T u c 02022 1221)(===??=??ππρρρ 将上式代入式(1)可得: )1(1)(12θ ηθηηηηη?Θ ???+?Θ???=m U U 边界条件: 0=η,0=?Θ?η;1=η,R q q w πη1 0= =?Θ? 0=θ, 0=?Θ?θ;πθ=,0=?Θ ?θ 单值条件: 由定义可知: 0/0=-=ΘλR q T T b b b 且: ??Θ= ΘA A b UdA UdA 即得单值性条件: 0=Θ??A A UdA UdA 3)由阻力系数f 及Re 定义有: 228)(2/Re ??? ??=????? ???????-=D D U D u u dx dp D f e m e m m e νρ 且: m W b m W b m W R q T T D T T q Nu ,0,,0~ 2 )/(2Θ=-=-= λ λ 5-2 1.一维稳态无源项的对流-扩散方程如下所示: x x u 22??Γ=??φφρ (取常物性) 边界条件如下: L L x x φφφφ====,; ,00 上述方程的精确解如下: 1 1 )/(00--=--?Pe L x Pe L e e φφφφ Γ=/uL Pe ρ 2.将L 分成20等份,所以有: ?=P Pe 20 1 2 3 4 5 6 ………… …………… 17 18 19 20 21 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) 中心差分 中间节点: 2 )5.01()5.01(1 1-?+?++-=i i i P P φφφ 20,2 =i 2) 一阶迎风 中间节点: ? -?++++=P P i i i 2)1(1 1φφφ 20,2 =i 3) 混合格式 当1=?P 时,中间节点: 2 )5.01()5.01(1 1-?+?++-= i i i P P φφφ 20,2 =i 当10,5=?P 时,中间节点: 1-=i i φφ 20,2 =i 4) QUICK 格式 * 12111)35(8122121 ??? ???---++++++=+--?? -??+?i i i i i i i P P P P P φφφφφφφ 2≠i * 1111)336(8122121 ?? ? ???--++++++=+-? ? -??+?i i i i i i P P P P P φφφφφφ 2=i 数值计算结果与精确解的计算程序如下: %except for HS, any other scheme doesnt take Pe<0 into consideration %expression of exact solution y=dsolve('a*b*Dy=c*D2y','y(0)=y0,y(L)=yL','x') y=subs(y,'L*a*b/c','t') y=simple(subs(y,'a*b/c*x','t*X')); ysim=simple(sym(strcat('(',char(y),'-y0)','/(yL-y0)'))) y=sym(strcat('(',char(ysim),')*(yL-y0)','+y0')) % in the case of Pe=0 y1=dsolve('D2y=0','y(0)=y0,y(L)=yL','x') y1=subs(y1,'-(y0-yL)/L*x','(-y0+yL)*X') %grid Pe number tt=[1 5 10]; %dimensionless length m=20; %mdim is the number of inner node mdim=m-1; X=linspace(0,1,m+1); %initial value of variable during calculation y0=1; yL=2; %cal exact solution for n=1:size(tt,2) t=m*tt(1,n); if t==0 yval1(n,:)=eval(y1); else yval1(n,:)=eval(y); end end %extra treatment because max number in MATLAB is 10^308 if max(isnan(yval1(:))) yval1=yval1'; yval1=yval1(:); indexf=find(isnan(yval1)); for n=1:size(indexf,1) if rem(indexf(n,1),size(X,2))==0 yval1(indexf(n),1)=yL; else yval1(indexf(n),1)=y0; end end yval1=reshape(yval1,size(X,2),size(yval1,1)/size(X,2)); yval1=yval1'; end %CD solution d=zeros(size(tt,2),mdim); a=repmat([1],size(tt,2),mdim); for n=1:size(tt,2) t=tt(1,n); b(n,:)=repmat([0.5*(1-0.5*t)],1,mdim); c(n,:)=repmat([0.5*(1+0.5*t)],1,mdim); d(n,1)=0.5*(1+0.5*tt(1,n))*y0; d(n,mdim)=0.5*(1-0.5*tt(1,n))*yL; end c(:,1)=0; b(:,mdim)=0; %numerical cal by using TDMA subfuction yval2=TDMA(a,b,c,d,mdim); yval2=[repmat([1],size(tt,2),1),yval2,repmat([2],size(tt,2),1)]; Fig(1,X,yval1,yval2,tt); title('CD Vs. Exact Solution') % FUS solution d=zeros(size(tt,2),mdim); a=repmat([1],size(tt,2),mdim); for n=1:size(tt,2) t=tt(1,n); b(n,:)=repmat([1/(2+t)],1,mdim); c(n,:)=repmat([(1+t)/(2+t)],1,mdim); d(n,1)=(1+tt(1,n))/(2+tt(1,n))*y0; d(n,mdim)=1/(2+tt(1,n))*yL; end c(:,1)=0; b(:,mdim)=0; %numerical cal by using TDMA subfuction yval3=TDMA(a,b,c,d,mdim); yval3=[repmat([1],size(tt,2),1),yval3,repmat([2],size(tt,2),1)]; Fig(2,X,yval1,yval3,tt); title('FUS Vs. Exact Solution') % HS solution d=zeros(size(tt,2),mdim); a=repmat([1],size(tt,2),mdim); for n=1:size(tt,2) t=tt(1,n); if t>2 b(n,:)=repmat([0],1,mdim); c(n,:)=repmat([1],1,mdim); d(n,1)=y0; elseif t<-2 b(n,:)=repmat([1],1,mdim); c(n,:)=repmat([0],1,mdim); d(n,mdim)=yL; else b(n,:)=repmat([0.5*(1-0.5*t)],1,mdim); c(n,:)=repmat([0.5*(1+0.5*t)],1,mdim); d(n,1)=0.5*(1+0.5*t)*y0; d(n,mdim)=0.5*(1-0.5*t)*yL; end end c(:,1)=0; b(:,mdim)=0; % numerical cal by using TDMA subfuction yval4=TDMA(a,b,c,d,mdim); yval4=[repmat([1],size(tt,2),1),yval4,repmat([2],size(tt,2),1)]; Fig(3,X,yval1,yval4,tt); title('HS Vs. Exact Solution') %QUICK Solution d=zeros(size(tt,2),mdim); a=repmat([1],size(tt,2),mdim); for n=1:size(tt,2) t=tt(1,n); b(n,:)=repmat([1/(2+t)],1,mdim); c(n,:)=repmat([(1+t)/(2+t)],1,mdim); d(n,1)=(1+tt(1,n))/(2+tt(1,n))*y0; d(n,mdim)=1/(2+tt(1,n))*yL; end c(:,1)=0; b(:,mdim)=0; %numerical cal by using TDMA subfuction yval5=zeros(size(tt,2),mdim); yval5com=yval5+1; counter=1; %iterative while max(max(abs(yval5-yval5com)))>10^-10 if counter==1 yval5com=TDMA(a,b,c,d,mdim); end for nn=1:size(tt,2) for nnn=1:mdim if nnn==1 d(nn,nnn)=((6*yval5com(nn,nnn)-3*y0-3*yval5com(nn,nnn+1))*tt(1,nn))/(8*(2+tt(1, nn)))+((1+tt(1,nn))/(2+tt(1,nn))*y0); elseif nnn==2 d(nn,nnn)=((5*yval5com(nn,nnn)-3*yval5com(nn,nnn+1)-yval5com(nn,nnn-1)-y0)*tt (1,nn))/(8*(2+tt(1,nn))); elseif nnn==mdim d(nn,nnn)=((5*yval5com(nn,nnn)-3*yL-yval5com(nn,nnn-1)-yval5com(nn,nnn-2))*tt (1,nn))/(8*(2+tt(1,nn)))+(1/(2+tt(1,nn))*yL); else d(nn,nnn)=((5*yval5com(nn,nnn)-3*yval5com(nn,nnn+1)-yval5com(nn,nnn-1)-yval5 com(nn,nnn-2))*tt(1,nn))/(8*(2+tt(1,nn))); end end end yval5=TDMA(a,b,c,d,mdim); temp=yval5; yval5=yval5com; yval5com=temp; counter=counter+1; end yval5=yval5com; yval5=[repmat([1],size(tt,2),1),yval5,repmat([2],size(tt,2),1)]; Fig(4,X,yval1,yval5,tt); title('QUICK Vs. Exact Solution') %-------------TDMA SubFunction------------------ function y=TDMA(a,b,c,d,mdim) %form a b c d resolve yval2 by using TDMA %elimination p(:,1)=b(:,1)./a(:,1); q(:,1)=d(:,1)./a(:,1); for n=2:mdim p(:,n)=b(:,n)./(a(:,n)-c(:,n).*p(:,n-1)); q(:,n)=(d(:,n)+c(:,n).*q(:,n-1))./(a(:,n)-c(:,n).*p(:,n-1)); end %iterative y(:,mdim)=q(:,mdim); for n=(mdim-1):-1:1 y(:,n)=p(:,n).*y(:,n+1)+q(:,n); end %-------------ResultCom SubFunction------------------ function y=ResultCom (a,b,c) for n=1:max(size(c,2)) y(2*n-1,:)=a(n,:); y(2*n,:)=b(n,:); end %-------------Fig SubFunction------------------ function y=Fig(n,a,b,c,d) figure(n); plot(a,b); hold on plot(a,c,'*'); str='''legend('; for n=1:size(d,2) if n==size(d,2) str=strcat(str,'''''Pe=',num2str(d(1,n)),''''')'''); else str=strcat(str,'''''Pe=',num2str(d(1,n)),''''','); end end eval(eval(str)); 精确解与数值解的对比图,其中边界条件给定10=φ,2=L φ。为了对比明显,给出的是10,2,1=?P 的数值解与精确解的对比: 由图可以看出,QUICK 和CD 格式的计算精度较高,但两种格式都只是条件稳定;HS 和FUS 格式绝对稳定,但FUS 的精度较低; 5-3 乘方格式:?????? ?<-≤≤--+≤≤->=?? ??????10 ,010, )1.01(100, )1.01(10,055 P P P P P P P P D a e E 当1.0=?P 时有: 951.0)1.01.01()1.01(55=?-=-=?P D a e E 因为: 301.0/3)()()()()()(===Γ=Γ= ?e e e e e e e e e P u x u u x D ρδρρδ 所以: 5297.2830951.0951.0=?==e E D a 由系数关系式 ?=-P D a D a e E w W 可得: 53.3130)951.01.0()(=?+=?+ =?w e E W D D a P a 且: 205 .01 .010=?= ??=t x a P p ρ 当采用隐式时1=f ,因此可得: 0597.62253.315297.280 =++=++=P W E P a fa fa a 同理可得当10=?P 时有: 0=E a ,3=W a ,5=P a 5-5 二维稳态无源项的对流-扩散问题的控制方程: )()()()(y y x x y v x u ??Γ??+??Γ??=??+??φφφρφρφφ 对于一阶迎风、混合、乘方格式的通用离散方程: S S N N W W E E P P a a a a a φφφφφ+++= 其中: []0,)(e e e E F P A D a -+=? []0,)(w w w W F P A D a +=? []0,)(n n n N F P A D a -+=? []0,)(s s s S F P A D a +=? 5-7 1)QUICK 格式的界面值定义如下: ??? ??? ?-+=-+=)36(81)36(8 1WW P W w W E P e φφφφφφφφ 0>u 对(5-1)式dx dx d d dx u d ) ()(φφρΓ=积分可得: w e w e dx d dx d u u )()()()(φ φφρφρΓ-Γ=- 对流项采用QUICK 格式的界面插值,扩散项采用线性界面插值,对于0>u 及均分网格有: )]()([]))(36())(36[(81 x x u u W P w P E e w WW P W e W E P ?-Γ-?-Γ=-+--+φφφφρφφφρφφφ 整理得: WW w W w e w E e e P w e w e u u u x u x x x u u φρφρρφρφρρ)(8 1 ])(43)(81[])(83[)]()(83)(43[-++?Γ+-?Γ=?Γ+?Γ+-上式即为QUICK 格式离散得到的离散方程; 2)要分析QUICK 格式的稳定性,则应考虑非稳平流方程: x u t ??-=??φφ 在t ?时间间隔内对控制容积作积分: ?????+?+??-=??t t t e w e w t t t dxdt x u dtdx x φ φ 得: dt u dx t t t w e e w t t t ? ? ?+?+--=-)()(φφφφ φ随时间变化采用阶梯显式,随空间变化采用QUICK 格式得: t u x WW P W W E P t P t t P ?+---+-=?-?+)]3636(8 1[)(φφφφφφφφ 整理得: x u t n i n i n i n i n i n i ?+-+-?---++87332111φφφφφφ 对于初始均匀零场,假设在),(n i 点有一个扰动n i ε; 对1+i 点写出QUICK 格式的离散方程: x u t n i n i n i n i n i n i ?+-+-?--+++++87331211 11φφφφφφ 可得: n i n i x t u εφ??= ++8711 对1-i 点分析可得: n i n i x t u εφ??- =+-8311 由于扩散对扰动的传递恒为正,其值为 n i x t ερ2 ?Γ?,所以根据符号不变原则有: 0)/)83(2 ≥?Γ?+??- n i n i n i x t x t u εερε 整理得到QUICK 格式的稳定性条件为: 3 8 ≤ ?P 5-9 1)三阶迎风格式采用上游两个节点和下游一个节点的值来构造函数界面插值形式,所以定义如下: ?? ?<++=>++=0 0u c b a u c b a EE E P e W P E e φφφφφφφφ 根据上述定义,在0>u 时对控制容积内的对流项作积分平均可得: ])()([1)(1 1WW W P E e w w e c b c a b a x x dx x x φφφφφφφ--+-+?=-?=???? 由表2-1式可知三阶迎风格式的差分格式: x x n i n i n i n i n i ?+-+= ??--+12212642 11,φφφφφ 由控制容积积分法得到的对流项离散格式应与Taylor 离散展开得到的离散格式具有相同的形式和精度,所以比较可得: 6 1,65,31-===c b a 所以三阶迎风格式的函数插值定义为: ??? ??? ?<-+=>-+=0 6165310 616531u u EE E P e W P E e φφφφφφφφ 2)由上述分析可知,得到的三阶迎风格式的插值定义与给出节点上导数表达式的定义在形式上显然是一致的; 6-1 二维直角坐标中不可压缩流体的连续方程及动量方程如下: ?????? ?????? ?+????+????+??-=??+??+??+????+????+??-=??+??+??=??+??) 3() ()()()()()2()()()()()() 1(0v u S y y v x x v y p y vv x vu t v S y y u x x u x p y uv x uu t u y v x u ηηρρρηηρρρ 假设常粘性,则0==v u S S ;对公式(2)及(3)分别对y x ,求偏导得: ??? ??????+???? ??????+???? ??????-=???? ??????+??? ??????+??? ????????? ? ??????+??+??? ??????-=???? ??????+??? ??????+??? ??????33 222233)()()()()()(y v x v y y p y y vv y x vu y t v y y u x x u x p x y uv x x uu x t u x ηηρρρηηρρρ 两式相加得并变换积分顺序有: ?? ? ?? ????? ????+????+??? ??????? ????+????+???? ????+??-=??? ??????? ????+??+????+???? ????+??+????+???? ????+????y v x u y y v x u x y p x p x v u x u v y v v y y v u y u v x u u x y v x u t 222 2 22 22 22ηηρρ 利用连续方程有: ???? ????+??-=??? ??????? ????+????+???? ????+????2222y p x p x v u y v v y y u v x u u x ρ ???? ????+??-=??? ???????-????+??+??+????22222222222y p x p y v x u y v x u y v x u x v y u ρ 最后即得: ??? ???????-????=? ?? ? ????+??x v y u y v x u y p x p ρ22222 6-4 假设5* =P p ,则有: 5105*-=-=e u 5.3)05(7.0*=-?=n v 由连续性条件有: s w n e v u v u +=+ 按SIMPLE 算法有: ' ''*5)(P E P e e e p p p d u u +-=-+= ' ''*7.05.3)(P n P n n n p p p d v v +=-+= 将上两式代入连续性方程中有: 20507.05.35' '+=+++-P P p p 计算得: 06.42' =P p 所以: 06.4706.425' *=+=+=P P P p p p 06.371006.47=-=-=E P e p p u 94.32)006.47(7.0)(7.0=-?=-=N P n p p v 6-5 假设250*3=p ,150* 6=p ,所以各点的流量为: ???? ?????-=-?==-?=-=-?=-=-?==-?=11 )15040(1.020)150250(2.024)25010(1.04)270250(2.010)250275(4.0*****E D C B A Q Q Q Q Q 上述流量满足动量方程,但并不满足连续性方程,所以对流量修正: ?????????-?+-=-?+=-?+-=-?+-=-?+=) (1.011)(2.020)(1.024)(2.04)(4.010'6'5'6'3'3'4'2'3' 3'1p p Q p p Q p p Q p p Q p p Q E D C B A 对节点3作质量守恒有: B D C A Q Q Q Q +=+ 即得: )(2.04)(2.020)(1.024)(4.010' 2'3'6'3'3'4'3'1p p p p p p p p -?+--?+=-?+--?+ 对节点3作质量守恒有: F E D Q Q Q =+ 即得: 20)(1.011)(2.020' 6'5'6'3=-?+--?+p p p p 联立求解上两式有: 70.48'3-=p ,13.69' 6-=p 修正后的压力为: 3.20170.48250'3*33=-=+=p p p 87.8013.69150'6*66=-=+=p p p 修正后的流量为: ?????????-=-?==-?=-=-?=-=-?==-?=09 .4)87.8040(1.009.24)87.803.201(2.013.19)3.20110(1.074.13)2703.201(2.048.29)3.201275(4.0E D C B A Q Q Q Q Q 由)(76p p C Q F F -= 三、编程题 4.16 设计工程,已知圆的半径r,求圆面积S。 【解答】设圆半径为r,圆面积为S。根据数学知识,已知圆半径r,求圆面积S的公式为:2r Sπ =。 设计步骤如下。 (1)建立应用程序用户界面,如图4-1所示。 (2)设置对象属性: Label1的Caption属性为“已知圆半径r=”; Text1的Text属性为空; Command1的Caption属性为“圆面积为:”; Label2的Caption属性为空; Label2的BorderStyle属性为1-Fixed Single。 各控件的属性设置如图4-2所示。 图4-1 建立用户界面图4-2 设置各控件的属性(3)编写程序代码。 写出“圆面积为:”命令按钮Command1的Click事件代码为: Private Sub Command1_Click( ) Const pi = 3.14 Dim r As Single, S As Single r = V al(Text1.Text) S = pi * r ^ 2 Label2.Caption = S End Sub 运行程序时,在文本框输入圆半径的值,单击“圆面积为:”按钮后,输出结果如图4-3所示。 也可以不用文本框接收输入值,改用InputBox函数接收圆的半径r,求圆面积S,代码如下。 图4-3 程序运行结果 Private Sub Form_Load( ) Show Const pi = 3.1415926 Dim r As Single, S As Single r = V al(InputBox("输入半径:", "计算圆面积", "10")) FontSize = 18 S = pi * r ^ 2 Print "圆面积:"; S End Sub 程序运行时,首先显示如图4-4所示的对话框,在该对话框的文本框中输入数字,按Enter 键或单击“确定”按钮后,才能显示窗体。 图4-4 输入对话框 用InputBox 函数输入文本虽然很方便,但是由于输入框弹出后将暂停程序的运行,直到用户响应,因此输入框不符合VB 自由环境的精神。输入框适合于像要求用户输入口令等这样不常见的输入方式。还可以用更好的用户输入方式,如文本框、选项按钮等。 4.17 已知平面坐标系中两点的坐标,求两点间的距离。 【解答】 由数学知识可知,已知两点坐标(x A , y A )、(x B , y B ),求两点间距离的计算公式为 2 A B 2 A B )()(y y x x s -+-= 建立用户界面如图4-5所示。在该界面中用TextBox 控件输入数据,用Label 控件输出数据。为了形象地表示两点之间的距离,可用Picture 控件插入一幅图,该图用画图软件绘制。 命令按钮Command1的Click 事件代码为: Private Sub Command1_Click( ) Dim xa As Single, xb As Single Dim ya As Single, yb As Single Dim s As Single xa = Val(Text1.Text) ya = V al(Text2.Text) xb = V al(Text3.Text) yb = V al(Text4.Text) s = Sqr((xb - xa) ^ 2 + (yb - ya) ^ 2) Label6.Caption = s End Sub 程序运行结果如图4-6所示。 精确解: p=[1,5,10]; x=0:1/19:1; for i=1:1:3 for j=1:1:20 y(i,j)=(exp(p(1,i)*19*x(1,j))-1)/(exp(p(1,i)*19)-1); end plot(x,y(i,:)); hold on ; end 由题对中心差分、一阶迎风、混合格式进行模块编程: 他们之间可以通用,只需更改ae 关于p 的函数即可: 程序如下: (1)中心差分 p=[1,5,10]; for i=1:1:3 ae=1-0.5*p(1,i); x/L (Φ-ΦL )/(Φ0-ΦL ) 精确解图像 aw=p(1,i)+ae; ap=ae+aw; for i=1:1:18 for j=1:1:20 a(i,j)=0; end end for i=1:1:18 j=i; a(i,j)=aw; a(i,j+1)=-ap; a(i,j+2)=ae; end for i=1:1:17 n=i+1; for m=i:-1:1 b(1,1)=a(m,n); a(m,n)=-a(i+1,n)/a(i+1,n)*b(1,1)+a(m,n); a(m,n+1)=-a(i+1,n+1)/a(i+1,n)*b(1,1)+a(m,n+1); a(m,n+2)=-a(i+1,n+2)/a(i+1,n)*b(1,1)+a(m,n+2); end end F(1)=0; F(20)=1; F(19)=(-a(1,20)*F(20)-a(1,1)*F(1))/a(1,19); for i=2:1:18 F(i)=(-a(i,20)*F(20)-a(i,19)*F(19))/a(i,i); end x=0:1/19:1; y(1,:)=F; plot(x,y); hold on end 4-1 解:采用区域离散方法A 时;网格划分如右图。内点采用中心差分 23278.87769.9 T T T === 22d T T=0dx - 有 i+1i 12 2+T 0i i T T T x ---=? 将2点,3点带入 32122 2+T 0T T T x --=? 即321 209T T -+= 432322+T 0T T T x --=?4321322+T 0T T T x --=? 即4 321 209 T T T -+-= 边界点4 (1)一阶截差 由x=1 1dT dx =,得 431 3 T T -= (2)二阶截差 11B M M q x x x T T S δδλλ -=++ 所以 434111. 1. 36311 T T T =++ 即 431 22293 T T -= 采用区域离散方法B 22d T T=0dx - 由控制容积法 0w e dT dT T x dT dT ????--?= ? ????? 所以代入2点4点有 322121011336 T T T T T ----= 即 239 028T T -= 544431011363 T T T T T ----= 即 34599 02828T T T -+= 对3点采用中心差分有 432 32 2+T 013T T T --=?? ??? 即 23499 01919 T T T -+= 对于点5 由x=1 1dT dx =,得 541 6 T T -= (1)精确解求左端点的热流密度 由 ()2 1 x x e T e e e -= -+ 所以有 ()22 20.64806911x x x x dT e e q e e dx e e λ -====- +=-=++ (2)由A 的一阶截差公式 21 0.247730.743113 x T T dT q dx λ =-=-= =?= (3)由B 的一阶截差公式 0 0.21640 0.649213 x dT q dx λ =-=-= = (4)由区域离散方法B 中的一阶截差公式: 210.108460.6504()B B T T dT dx x δ-?? ==?= ? ?? 通过对上述计算结果进行比较可得:区域离散B 有控制容积平衡法建立的离散方程与区域离散方程A 中具有二阶精度的格式精确度相当! 4-3 解:将平板沿厚度方向3等分,如图 取步长δx=0.02。已知x=0,Φ=0;x=1,Φ=1.令k=ρu/Γ计算结果图表: 程序及数据结果: 追赶法: #include a[i]=2+0.02*k; b[i]=4; c[i]=2-0.02*k; f[i]=0; } tdma(a,b,c,f,x); for(i=0;i Q. 2 第八章 黑体辐射基本定律 8-1、一电炉的电功率为1KW,炉丝温度为847°C,直径为Immo 电炉的效率为0.96。试确 定所需 炉丝.的最短长度。 <273 + 847丫 〃 八* 前 ------------ jvdL = 0.96 x 10 解:5.67x1 1°° 7 得 L=3.61m 8-5、在一空间飞行物的外壳上有一块向阳的漫射面板。板背面可以认为是绝热的,向阳面 得到的 太阳投入辐射GT300W 〃疟。该表面的光谱发射率为:时£(") = 0.5; 人>2彻时£(人)二°? 2。试确定当该板表而温度处于稳态时的温度值。为简化计算,设太 阳的辐射能均集中在0?2即刀 之内。 解:由 UOOJ 得 T=463K 8-6、人工黑体腔上的辐射小孔是一个直径为20mm 的圆,辐射力场=3.72 x " W /帚。 一个辐射热流计置于该黑体小孔的正前方l=0.5m,处,该热流计吸收热量的面积为 1.6'10一5 "己问该热流计 所得到的黑体投入辐射是多少? L. =^ = 1.185xlO 5W/m 2 解: 人 A O = T = 6.4x10-5 r L h .A = 312W 所得投入辐射能量为37.2X6.4X10-5 = 2.38x IO” w 8-15、已知材料AB 的光谱发射率林久)与波K 的关系如附图所示,试估计这两种材料的发射 那 £随温度变化的特性,并说明理由。 解:A 随稳定的降低而降低;B 随温度的降低而?升高。 理由:温度升高,热辐射中的短波比例增加。 8-16、一?选择性吸收表面的光谱吸收比随人变化的特性如附图所示,试计算当太阳投入辐射 为 G=8()0W//H 2时,该表面单位面积上所吸收的太阳能量及对太阳辐射的总吸收比。 1-4 习题4-2 一维稳态导热问题的控制方程: 022=+??S x T λ 依据本题给定条件,对节点2 节点3采用第三类边界条件具有二阶精度的差分格式,最后得到各节点的离散方程: 节点1: 1001=T 节点2: 1505105321-=+-T T T 节点3: 75432=+-T T 求解结果: 852=T ,403=T 对整个控制容积作能量平衡,有: 02150)4020(15)(3=?--?=?+-=?+x S T T h x S q f f B 即:计算区域总体守恒要求满足 习题4-5 在4-2习题中,如果25 .03)(10f T T h -?=,则各节点离散方程如下: 节点1: 1001=T 节点2: 1505105321-=+-T T T 节点3: 25.03325.032)20(4015])20(21[-?+=-?++-T T T T 对于节点3中的相关项作局部线性化处理,然后迭代计算; 求解结果: 818.822=T ,635.353=T (迭代精度为10-4) 迭代计算的Matlab 程序如下: x=30; x1=20; while abs(x1-x)>0.0001 a=[1 0 0;5 -10 5;0 -1 1+2*(x-20)^(0.25)]; b=[100;-150; 15+40*(x-20)^(0.25)]; t=a^(-1)*b; x1=x; x=t(3,1); end tcal=t 习题4-12的Matlab程序 %代数方程形式A i T i=C i T i+1+B i T i-1+D i mdim=10;%计算的节点数 x=linspace(1,3,mdim);%生成A、C、B、T数据的基数; A=cos(x);%TDMA的主对角元素 B=sin(x);%TDMA的下对角线元素 C=cos(x)+exp(x); %TDMA的上对角线元素 T=exp(x).*cos(x); %温度数据 %由A、B、C构成TDMA coematrix=eye(mdim,mdim); for n=1:mdim coematrix(n,n)=A(1,n); if n>=2 coematrix(n,n-1)=-1*B(1,n); end if n 单选题(共30题,每题2分) 1 .2010年,在国际数学家大会上做45分钟报告的是西安交通大学哪位教授() ?A. 徐宗本 ?B. 卢秉恒 ?C. 何雅玲 ?D. 陶文栓 我的答案:A 参考答案:A 答案解析:暂无 2 .()是第一位讲授机电学的中国教授,也是中国第一台交流发电机与电动机的研制者,被誉为“中国电机之父”。 ?A. 陈学俊 ?B. 彭真 ?C. 彭康 ?D. 钟兆琳 我的答案:D 参考答案:D 答案解析:暂无 3 .朱城,力学教育家,1956年随校西迁创办了()专业。 ?A. 力学专业 ?B. 工程学专业 ?C. 工程力学专业 ?D. 动力力学专业 我的答案:C 参考答案:C 答案解析:暂无 4 .1959年7月31日,国务院发出(),同意教育部关于交通大学上海、西安两个部分分别独立成为上海交通大学和西安交通大学,以及两校分设后若干具体问题的处理意见。 ?A. 《关于在高等学校中确定一批重点学校的决定》 ?B. 《关于交通大学上海、西安两个部分分别独立成为上海交通大学和西安交通大学的批复》 ?C. 《关于交通大学上海、西安两个部分分别独立成为两个学校的报告》 ?D. 《关于交通大学迁校及上海、西安有关学校的调整方案的报告》 我的答案:B 参考答案:B 答案解析:暂无 5 .唐照千,力学家、振动工程学家和力学教育家,交通大学工程力学的创人和奠基人之一,在国际上,首先提出了()。 ?A. “机械工程手册分析法” ?B. “斜激波后物体壁面振动分析法” ?C. “圆锥壳自由振动的分解方法” ?D. “圆柱自由振动的简化计算方法” 我的答案:C 参考答案:C 答案解析:暂无 6 .为尽快培养新的骨干力量,彭康主持制订了师资培养规划,并专门成立()来加强师资建设和管理工作,成为全国高校机构设置中的一个创举。 ?A. 教师科 ?B. 师资科 ?C. 高层办 ?D. 骨干科 我的答案:A 参考答案:A 答案解析:暂无 7 .屈梁生教授长期致力于机械质量控制与检测诊断领域的基础性、开拓性研究,他的()一书填补了我国在这方面研究的空白,至今仍是研究生的教材。 ?A. 《机械故障诊断学》 ?B. 《机器故障诊断学》 ?C. 《电器故障诊断学》 ?D. 《检测故障诊断学》 我的答案:A 传热学习题_建工版V 0-14 一大平板,高3m ,宽2m ,厚0.2m ,导热系数为45W/(m.K), 两侧表面温度分别为w1t 150C =?及w1t 285C =? ,试求热流密度计热流量。 解:根据付立叶定律热流密度为: 2 w2w121t t 285150q gradt=-4530375(w/m )x x 0.2λλ??--??=-=-=- ? ?-???? 负号表示传热方向与x 轴的方向相反。 通过整个导热面的热流量为: q A 30375(32)182250(W)Φ=?=-??= 0-15 空气在一根内经50mm ,长2.5米的管子内流动并被加热,已知空气的平均温度为85℃,管壁对空气的h=73(W/m 2.k),热流密度q=5110w/ m 2, 是确定管壁温度及热流量?。 解:热流量 qA=q(dl)=5110(3.140.05 2.5) =2005.675(W) πΦ=?? 又根据牛顿冷却公式 w f hA t=h A(t t )qA Φ=??-= 管内壁温度为: w f q 5110t t 85155(C)h 73 =+ =+=? 1-1.按20℃时,铜、碳钢(1.5%C )、铝和黄铜导热系数的大小,排列它们的顺序;隔热保温材料导热系数的数值最大为多少?列举膨胀珍珠岩散料、矿渣棉和软泡沫塑料导热系数的数值。 解: (1)由附录7可知,在温度为20℃的情况下, λ 铜 =398 W/(m ·K),λ 碳钢 =36W/(m ·K), λ 铝 =237W/(m ·K),λ 黄铜 =109W/(m ·K). 所以,按导热系数大小排列为: λ 铜 >λ 铝 >λ 黄铜 >λ钢 (2) 隔热保温材料定义为导热系数最大不超过0.12 W/(m ·K). (3) 由附录8得知,当材料的平均温度为20℃时的导热系数为: 膨胀珍珠岩散料:λ=0.0424+0.000137t W/(m ·K) =0.0424+0.000137×20=0.04514 W/(m ·K); 矿渣棉: λ=0.0674+0.000215t W/(m ·K) =0.0674+0.000215×20=0.0717 W/(m ·K); 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: 2 2x x u ??Γ =??φ φρ (取常物性) 边界条件如下: L L x x φφφφ====,; ,00 由(5—2)得方程的精确解为: 1 1)/(00--=--?Pe L x Pe L e e φφφφ Γ=/uL Pe ρ 将L 分成15等份,有:?=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(1 1-?+?++-=i i i P P φφφ 10,2 =i 2) 一阶迎风 节点离散方程: ? -?++++=P P i i i 2)1(1 1φφφ 10,2 =i 3) 混合格式 当1=?P 时,节点离散方程:2 )5.01()5.01(1 1-?+?++-= i i i P P φφφ ,10,2 =i 当10,5=?P 时,节点离散方程: 1-=i i φφ , 10,2 =i 4) QUICK 格式,节点离散方程: ??? ???--++++++= +-?? -??+?)336(8122121 1111i i i i i i P P P P P φφφφφφ, 2=i ?? ????---++++++= +--? ? -??+?)35(8122121 12111i i i i i i i P P P P P φφφφφφφ, 2≠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)= 0φ=0,y(16)=L φ=1,程序中Pa 为?P ,x 为题中所提的x/L 。由于本程序假设 y(1)=0φ=0,y(16)=L φ=1,所以 y y y y y y L =--=--=--0 10 )1()16()1(00φφφφ) Pa=input('请输入Pa=') x=0:1/15:1 Pe=15*Pa; y=(exp(Pe*x)-1)/(exp(Pe)-1) plot(x,y,'-*k') %精确解 hold on y(1)=0,y(16)=1; for i=2:15 y(i)=((1+0.5*Pa)*y(i-1)+(1-0.5*Pa)*y(i+1))/2; end plot(x,y(1:16),'-or') %中心差分 hold on for i=2:15 y(i)=((1+Pa)*y(i-1)+y(i+1))/(2+Pa); end plot(x,y(1:16),'-.>g') %一阶迎风 hold on for i=2:15 if Pa==1 y(i)=((1+0.5*Pa)*y(i-1)+(1-0.5*Pa)*y(i+1))/2; else y(i)=y(i-1) end end plot(x,y(1:16),'-+y') %混合格式 hold on for i=2:15 if i==2 y(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 else y(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 end end plot(x, y(1:16),'- 第四章导热问题的数值解法 1 、重点内容:①掌握导热问题数值解法的基本思路; ②利用热平衡法和泰勒级数展开法建立节点的离散方程。 2 、掌握内容:数值解法的实质。 3 、了解内容:了解非稳态导热问题的两种差分格式及其稳定性。 §4—1导热问题数值求解的基本思想及内节点方程的建立由前述 3 可知,求解导热问题实际上就是对导热微分方程在定解条件下的积分求解,从而获得分析解。但是,对于工程中几何形状及定解条件比较复杂的导热问题,从数学上目前无法得出其分析解。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得十分迅速,并得到广泛应用,并形成为传热学的一个分支——计算传热学(数值传热学),这些数值解法主要有以下几种: (1)有限差分法( 2 )有限元方法( 3 )边界元方法 数值解法能解决的问题原则上是一切导热问题,特别是分析解方法无法解决的问题。如:几何形状、边界条件复杂、物性不均、多维导热问题。 一.分析解法与数值解法的异同点: ?相同点:根本目的是相同的,即确定① t=f(x , y , z) ;② 。 ?不同点:数值解法求解的是区域或时间空间坐标系中离散点的温度分布代替连续的温度场;分析解法求解的是连续的温度场的分布特征,而不是分散点的数值。 数值求解的基本思路及稳态导热内节点离散方程的建立 二.解法的基本概念 ?实质 对物理问题进行数值解法的基本思路可以概括为: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等,用有限个离散点上的值的集合来代替,通过求解按一定方法建立起来的关于这些值的代数方程,来获得离散点上被求物理量的值。该方法称为数值解法。 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。 2 、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。 ?数值求解的步骤 如图 4-2 ( a ),二维矩形域内无内热源、稳态、常物性的导热问题采用数值解法的步骤如下:(1)建立控制方程及定解条件 控制方程:是指描写物理问题的微分方程 针对图示的导热问题,它的控制方程(即导热微分方程)为:( a ) 边界条件: x=0 时, x=H 时, 当 y=0 时, 传热学第四版课后题答案第十章 ————————————————————————————————作者:————————————————————————————————日期: 第十章 思考题 1、 所谓双侧强化管是指管内侧与管外侧均为强化换热表面得管子。设一双侧强化管用内径 为d i 、外径为d 0的光管加工而成,试给出其总传热系数的表达式,并说明管内、外表面传热系数的计算面积。 01 10 00011011110 00010111112)/ln(1 1 12)/ln(1βπβπηβληβηβππληβπo d d d h d d d d h k d h d d d h t 算面积为管外表面传热系数得计 算面积为管内表面传热系数得计传热系数:得以管内表面为基准得= 答:由传热量公式:++= + +?Θ 2、 在圆管外敷设保温层与在圆管外侧设置肋片从热阻分析的角度有什么异同?在什么情 况下加保温层反而会强化其传热而肋片反而会削弱其传热? 答:在圆管外敷设保温层和设置肋片都使表面换热热阻降低而导热热阻增加,而一般情况下保温使导热热阻增加较多,使换热热阻降低较少,使总热阻增加,起到削弱传热的效果;设置肋片使导热热阻增加较少,而换热热阻降低较多,使总热阻下降,起到强化传热的作用。但当外径小于临界直径时,增加保温层厚度反而会强化传热。理论上只有当肋化系数与肋面总效率的乘积小于1时,肋化才会削弱传热。 3、 重新讨论传热壁面为平壁时第二题中提出的问题。 答:传热壁面为平壁时,保温总是起削弱传热的作用,加肋是否起强化传热的作用还是取决于肋化系数与肋面总效率的乘积是否人于1。 4、推导顺流或逆流换热器的对数平均温差计算式时做了一些什么假设,这些假设在推导的哪些环节中加以应用?讨论对大多数间壁式换热器这些假设的适用情形。 5、对于22112211221m1q c q c q c q c q c c q m m m m m =<≥及、 三种情形,画出顺流与逆流时冷、热流体温度沿流动方向的变化曲线,注意曲线的凹向与c q m 相对大小的关系。 6、进行传热器设计时所以据的基本方程是哪些?有人认为传热单元数法不需要用到传热方程式,你同意吗? 答:换热器设计所依据的基本方程有: m m m t KA t t c q t t c q ?=" -'="-'=)()(22221111φ 传热单元法将传热方程隐含在传热单元和效能之中。 7、在传热单元数法中有否用到推导对数平均温差时所做的基本假设,试以顺流换热器效能的计算式推导过程为例予以说明。 答:传热单元数法中也用到了推导平均温差时的基本假设,说明略o 8、什么叫换热器的设计计算,什么叫校核计算? 《弘扬爱国奋斗精神,建功立业新时代》试题与答案 单选题(共30题,每题2分) 1 .陈学俊教授出生在大变革时代,使得他的命运和祖国的命运紧紧联系在一起,他提出了()的呐喊。 A.工程救国B.工学救国C.力学救国D.热能救国 参考答案:A 2 .屈梁生教授是国内机械检测与()学科的开创者和奠基人之一。 A.检测诊断B.故障诊断C.错误诊断D.线路诊断 参考答案:B 3 .2015年8月21日,中共中央政治局常委、国务院总理李克强主持题为“先进制造与3D 打印”的国务院专题讲座,西安交通大学哪位教授受邀主讲() A.徐宗本B.卢秉恒C.陶文栓D.何雅玲 参考答案:B 4 .机械学科是交大的传统优势学科,它创建于()年。 A.1913年B.1912年C.1911年D.1914年 参考答案:A 5 .唐照千,力学家、振动工程学家和力学教育家,交通大学工程力学的创人和奠基人之一,在国际上,首先提出了()。 A.“机械工程手册分析法” B.“斜激波后物体壁面振动分析法” C.“圆锥壳自由振动的分解方法” D.“圆柱自由振动的简化计算方法” 参考答案:C 6 .2003年初,学校决定由档案馆承建一所永久性的纪念馆——(),以此表彰为西安交通大学建设和发展做出无私奉献的西迁教职工,弘扬“西迁精神”,激励交大人发奋进取的斗志。 A.“交通大学西迁历史纪念馆” B.“西迁博物馆” C.“西迁实物展馆” D.“西迁人物纪念馆” 参考答案:A 7 .江泽民学长先后()次专程回母校看望师生,称赞校园苍松翠柏,环境优美,是学习的好地方,应该出科学,出智慧,出新的科学家。 A.2次B.3次C.4次D.5次 参考答案:C 8 .交通大学西迁以后以身殉职的第一人是()。 A.彭康B.朱城C.钟兆琳D.陈学俊 参考答案:B 9 .陈学俊教授1980年当选为中国科学院院士(学部委员),1996年当选为( )院士。A.中国工程院院士B.美国科学院院士C.美国工程院院士D.第三世界科学院院士 参考答案:D 10 .朱楚珠通过对女童死亡率的研究,建立了世界上第一个,也是唯一一个“改善女孩生存环境试验区”,直接推动了国家关爱女孩行动,其地点在()。 A.陕西洛川B.陕西商南C.安徽巢湖D.安徽蚌埠 参考答案:C 11 .1983年,陶文栓教授根据在美国进修时的体会,把()实验室建成了西安交通大学第一个对研究生全天候开放的实验室。 A.热工实验室B.热力实验室C.电力实验室D.电器实验室 3-7证明对流项的背风差分总使扰动逆流而传递。 证明:Taylor 展开法中逆风差分的构造法: 1,i i i x x φφφ+-?=?? u>0 1,i i i x x φφφ--?=?? u<0 下面以u>0的情形来分析.对于节点i+1,在n 时层产生在节点i 的扰动对i+1的影响由下式确定: 11112n n n n i i i i u t x φφφφ+++++--=-?? (1n i φ+=0,2n i φ+=0) 由此得 11n i φ++=0 而i-1处则有 1111n n n n i i i i u t x φφφφ+-----=-?? (1n i φ-=0) 得 11n i u t x φε+-???= ???? 因此可知对流项的背风差分总使扰动逆流而传递。 3-10一阶导数的而二阶差分格式称为二阶迎风格式(在来流方向区节点构成差分格式)。试分析其迁移性。 解:经查表2-1可知在来流方向区节点的一阶导数二阶迎风格式为: n n n i i-1i-2i n 34=x 2x φφφφ -+???, u>0 下面以u>0的情形来分析.对于节点i+1,在n 时层产生在节点i 的扰动对i+1的影响由下式确定: n+1n n n n i+1i+1 i+1i i-1n+1i+134=-u t 2x 2u t =x φφφφφφε--+????? ???? (n i+1φ=0,n i-1φ=0) 得 n+1i+12u t =x φε??? ???? 而i-1处则有 n n n n+1n i-1i-2i-3i-1i-134=-u t 2x φφφφφ-+-?? (n i-1φ=0,n i-2φ=0,n i-3φ=0) 因此得 n+1i-1φ=0 因此可知一阶导数的二阶迎风格式(在来流方向区节点构成差分格式)具有迁移性。扰动只向后传动!!! 4-5迭代法求解节点温度。 说明:此处给出的是C++程序代码,使用牛顿迭代法,迭代收敛精度1.0e-6;程序运行结果附后。 /*NHT 4-5 newton *created on 2012-10-19 by Sanye */ #include 单选题(共30题,每题2分) 1 .朱城教授著成堪与国际大师铁木辛柯相媲美的中国版《材料力学》,被誉为中国的(),为国内首批工程力学专业的创办做出了重要贡献。(铁木辛柯著《材料力学》,为世界科技名著) A.“铁氏材力” B.“朱氏材力” C.“工程材力” D.“力学材力” 我的答案:未做答 参考答案:A 答案解析:暂无 2 .()年,以交通大学为代表的一批高校、工厂、科研院所坚决拥护和执行党中央关于西迁的决定,义无反顾奔向大西北,成为西部大开发的先行者 A.1955年 B.1956年 C.1953年 D.1954年 我的答案:未做答 参考答案:B 答案解析:暂无 3 .2003年初,学校决定由档案馆承建一所永久性的纪念馆——(),以此表彰为西安交通大学建设和发展做出无私奉献的西迁教职工,弘扬“西迁精神”,激励交大人发奋进取的斗志 A.“交通大学西迁历史纪念馆” B.“西迁博物馆” C.“西迁实物展馆” D.“西迁人物纪念馆” 我的答案:未做答 参考答案:A 答案解析:暂无 4 .朱楚珠是国家关爱女孩行动发起人、推动者和实践者,创立了(),是中国女性人口学的创始人和杰出代表 A.西安交通大学人口与发展研究所 B.西安交通大学女性研究所 C.西安交通大学性别研究所 D.西安交通大学人口研究所 我的答案:未做答 参考答案:A 答案解析:暂无 5 .机械学科是交大的传统优势学科,它创建于()年 A.1913年 B.1912年 C.1911年 D.1914年 我的答案:未做答 参考答案:A 答案解析:暂无 6 .被交大学生赞誉为讲坛“常青树”的西迁学者是() A.彭康 B.姚熹 C.马知恩 D.钟兆琳 我的答案:未做答 参考答案:C 答案解析:暂无 7 .交通大学的前身是1896年创建于上海的(),1921年改称交通大学 A.南洋公学 B.电报局 C.北洋西学学堂 D.招商局 我的答案:未做答 参考答案:A 答案解析:暂无 8 .由西安交通大学姚熹教授发起创办的()期刊是国际上唯一涵盖电介质所有研究领域的期刊 A.《JAD》 B.《JDA》 C.《JPA》 D.《JFA》 我的答案:未做答 参考答案:A 答案解析:暂无 9 .西迁后第一届开学典礼是在()举行的 A.草棚大礼堂 B.宪梓堂 C.西安人民大厦 D.兴庆公园 我的答案:未做答 参考答案:C 数 值 传 热 学 近代发展及数值方法 建环:屈锐 2011年10月5日 数值传热学的发展史及数值方法 一、计算传热学的发展史 首先,计算传热学(Numerical Heat Transfer)与计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)之间的关系密切,可以认为,他们的主要研究内容是一致的,因此,计算传热学的发展史很大程度上也就是计算流体动力学的发展史,但他们之间还有不少区别,流体动力学的一个主要研究内容是讨论无粘流动及跨、超音速流动数值计算中的一些特殊问题。应用计算机和数值方法求解流动及传热问题在全世界范围内逐渐形成规模而且得出有益的结果,大致始于60年代,故从60年代起,可以把数值传热学的发展过程分为3个阶段: 1、萌芽初创阶段 主要有以下重大事件: (1)交错网格的提出。初期的数值传热学出现的两大困难之一是,网格设置不当时会得出具有不合理的压力场的解。1965年美国科学家首先提出了交错网格的思想,有效解决了这一难题,促使了求解NS 方程的原始变量法的发展。 (2)对流项差分迎风格式的再次确认。初期发展遇到的另一难题是 对流项采用中心差分时,对流速较高的情况的计算会得出振荡的解,1966年,科学家撰稿介绍了迎风格式在求解可压缩流体及非稳态层流流动中的作用,使流动与对流换热问题的求解建立在一个健壮的数值方法上发展。 (3)世界上第一本介绍流体及计算传热学的杂志于1966年创刊。(4)求解抛物型流动的P-S方法出现。由于受到计算机资源的限制,边界层类型问题的数值计算得到更多的关注,如何把有限个节点数目都充分利用起来成为了一个重要的问题。 (5)1969年Spalding在英国帝国理工学院创建了CHAM,旨在把他们研究组的成果推广应用到工业界。 (6)1972年SIMPLE算法问世。所谓分离式的求解方法应运而生,这个算法的基本思路是,在流场迭代求解的任何一个层次上,速度场都必须满足质量守恒方程,这一思想被以后的大量数值计算实例证明,是保证流场迭代计算收敛的一个十分重要的原则。 1974年美国学者提出了采用微分方程来生成适体坐标的方法。由于有限元法对不规则区域有很强的适应性,有限差分法与有限容积法则对复杂区域的适应能力很差,但对于流动问题的数值处理则要比有限元法容易得多。TTM方法的提出,为有限差分法与有限容积法处理不规则边界问题提出了一条崭新的道路。 2、开始走向工业应用阶段 热流问题的数值计算 物理问题数值解的基本思想 把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场 (如速度场,温度场,浓度场等),用一系列有限 个离散点(称为节点,node)上的值的集合来代替; 通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间关 系的代数方程 (称为离散方程,discretization 大规模科学计算的重要性 传热与流动问题数值计算是应用计算机求解热量传 递过程中的速度场,温度场等的分支学科,是大规模 科学计算的重要组成部分,其重要性不言而喻. 2005年美国总统顾问委员会向美国总统提出要大 力发展计算科学以确保美国在世界上的竞争能力. 波音公司实现了对航空发动机的网格数达10亿量 级的直接数值模拟,以研究所设计发动机的性能. 现代科学研究的三大基本方法及其关系 课程简介 简答题集锦 1.流动与传热数值模拟的基本任务是什么? (把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场,如速度场和压力场,用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组,然后求解代数方程组获得场变量的近似值CFD可以看做是在流动基本方程(质量守恒方程飞动量守恒方程、能量守恒方程)控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟,我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)的分布,以及这些物理量随时间的变化情况,确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。) 2.数值模拟过程如何实现,主要步骤是那些? (建模、网格划分、坐标系、数学方程、求解、后处理) a.建立反映工程问题或物理过程本质的数学模型; b.选择与计算区域的边界相适应的坐标系; c.建立网格; d.建立离散方程; e.求解代数方程组; f.后处理,显示计算结果 3.建立离散方程有哪些主要方法?比较说明各种方法的优缺点?(有限差分、有限体积、有限元、有限分析等) 4什么叫控制方程?常见的控制方程有哪几个?各用在什么场合? 5试写出控制方程的通用形式,并说明通用形式中各项的意义?(写明通式,以及各个方程中通式的表达形式) 6推导x 方向的动量控制方程中的源项u S 的表达式。由此证明当密度和黏度为常数时,u S 变为0。 X 方向N-S 方程: Mx S x w z u z x v y u y divu x u x x p Dt Du +??+ ????+ ??+ ????+ +????+??- =)][()]( [)2(μ μλμ ρ )()())()())())()()()()()][()]( [)2(gradu div divu x z w y v x u x gradu div S divu x z w y v x u x S S divu x z w y v x u x gradu div S x w z x v y x u x z u z y u y x u x S x w z u z x v y u y divu x u x Mx u Mx Mx Mx μλμ μλμλμμμμμμμμμ μλμ +??+??+??+????=++?? +??+??+????=+?? +??+??+????+=+????+????+????+????+????+????= +??+ ????+ ??+ ????++????((()()( 因为0 =??+ ??+ ??z w y v x u ρρρ 推 得: =??+??+??z w y v x u 所以:Su= 0)()=?? +??+??+????divu x z w y v x u x λμ ( 7区域离散为分几种,说明各自的特点。 (内节点法、外节点法) 先节点后界面第四章编程题
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Numerical Simulations of Thermal & Fluid Problems
第一章 绪论
主讲 陶文铨
西安交通大学能源与动力工程学院 热流中心 CFD-NHT-EHT CENTER 2007年10月16日, 西安
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equation);求解所建立起来的代数方程以获得所求
解变量的近似解.
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理论分析
Analytical
实验研究
Experimental
数值模拟
Numerical
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1. 学时- 30学时理论教学;6学时计算机作业 2. 考核- 平时作业/计算机大作业/考试: 20/30/50 3. 方法- 理解,参与,应用 努力将与数学处理相对应的物理背景联系起来理解. 4. 助手- 于乐 5. 参考教材-《计算流体力学与传热学》,中国建筑 工业出版社,1991
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