一维非稳态导热问题的数值解

计算传热学程序报告

题目：一维非稳态导热问题的数值解

姓名：

学号：

学院：能源与动力工程学院

专业：工程热物理

日期：2014年5月25日

一维非稳态导热问题数值解

求解下列热传导问题：

⎪

⎪⎩

⎪⎪⎨⎧=====≤≤=∂∂-

∂∂1,10),(,1),0(0)0,()0(01T 22ααL t L T t T x T L x t T

x

1.方程离散化

对方程进行控制体积分得到：

dxdt t T

dxdt x T t

t t

e

w t

t t

e

w ⎰

⎰⎰

⎰∆+∆+∂∂=∂∂α

1

2

2

⎰

⎰

-=∂∂-∂∂∆+∆+e

w

t t t w e t

t t

dx T T dt x T x T )(1])()([α

非稳态项：选取T 随x 阶梯式变化，有

x T T dx T T t p t t p e

w

t t t ∆-=-∆+∆+⎰

)()(

扩散项：选取一阶导数随时间做显示变化，有

t x

T

x T dt x T x T t w t e w e t

t t

∆∂∂-∂∂=∂∂-∂∂⎰

∆+])()[(])()[(

进一步取T 随x 呈分段线性变化，有 e P E e x T T x T )()(

δ-=∂∂ ， w

W P w x T T x T )()(δ-=∂∂ 整理可以得到总的离散方程为：

2

21x

T T T t T T t

W

t P t E t P t t E ∆+-=∆-∆+α 2.计算空间和时间步长 取空间步长为：

h=L/N 网格Fourier 数为：

2

2

0x

t

x t

F ∆∆=

∆∆=α（小于0.5时稳定） 时间步长为：

α

2

0h F n =

3.建立温度矩阵与边界条件 T=ones(N+1,M+1)

T(:,1)=Ti (初始条件温度都为0） T(1,:)=To (边界条件x=0处温度为1） T(N+1,:)=Te (边界条件x=L 处温度为0） 4.差分法求解温度 由离散方程可得到：

t P t

W

t P t E t t E T T T T F T -+-=∆+)2(0 转化为相应的温度矩阵形式：

),()],(2),1(),1([)1,(0k m T k m T k m T k m T F k m T +*--++*=+ 5.输入界面

考虑到方程的变量，采用inputdlg 函数设置5个输入变量，对这5个变量设置了默认值，如图1所示。在计算中可以改变不同的数值，得到不同的结果，特别注意稳定条件的临界值是0.5。根据设置的默认值，得到的计算结果如图2所示。

图1 matlab变量输入界面

图2 默认值的计算结果

6.结果分析

根据上面的分析，给出了程序的输入界面，以及默认值状态下的数值解。可以通过改变不同的输入值，得到需要的分析结果，总结出了下面4点结论：

（1）取F0=0.48，得到一维非稳态导热结果如下图所示

图2 F0=0.48时一维非稳态导热

从图中可以看出，对于长度L=1的细杆，初始时刻t=0时温度为0，边界条件x=0时，T=1,边界条件x=1时，T=0。随着时间的增加，温度从x=0通过导热的形式传递到x=1，不同时刻不同位置杆的温度都不同，并且随着时间的增加，杆的温度也逐渐增加。

（2）取F0=0.48，可以得到不同位置的温度响应曲线，如下图所示

图3 F0=0.48时不同x位置处的温度响应

图中红色曲线代表x=0.1位置的温度瞬态响应，黑色曲线代表x=0.2位置的温度瞬态响应，蓝色曲线代表x=0.4位置的温度瞬态响应。从图中可以看出，随

着x的增加，曲线与x轴的交点值越大，温度开始传递到该位置的所需的时间越长。随着x的增加，温度响应曲线的变化速率越慢，最终的达到的温度也越低。（3）取F0=0.25，得到不同位置的温度响应曲线如下图所示

图4 F0=0.25时不同x位置处的温度响应

图中三条曲线分别是x=0.1，x=0.2，x=0.4位置的温度瞬态响应。与图3的F0=0.48进行对比，两种情况下的F0值不同，F0值越大表明热扩散系数 的值越大。从图中可以看出热扩散系数对于导热的影响，F0=0.25时，与F0=0.48相比较，各位置开始响应时所需的时间较长，而且各位置响应曲线的变化速率较小，最终的达到的温度也较低，说明了热扩散系数越小，热传导越慢，传递效率越低。（4）取F0=0.51，得到非稳定的数值解如图所示

图5 F0=0.51时一维非稳态导热

图6 F0=0.51时不同x位置处的温度响应

从图中可以看出，对于显示格式的离散方程，并不是所有的F0值都能得到有意义的解，必须要求F0<0.5时才能得到稳定的数值解，当F0>0.5时，会出现物理上不真实的解。

附件：（matlab程序）

function heat_conduction() %一维齐次热传导方程

%设置输入界面

options={'空间杆长L','空间点数N' ,'时间点数M','扩散系数a','稳定条件的值Fo(临界值0.5)',}; topic='一维非稳态导热';%标题栏显示

lines=1;%输入行为1行

def={'1','100','1000','1','0.48'};%默认值输入

f=inputdlg(options,topic,lines,def);%输入框设置

L=eval(f{1});%设置输入值

N=eval(f{2});

M=eval(f{3});

a=eval(f{4});

Fo=eval(f{5});%Fo的值必须小于0.5，小于0.5波动

%计算空间步长与时间步长

h=L/N;%空间步长

x1=0:h:L;

x=x1';

n=Fo*h^2/a;%时间步长

tm=n*M;%传导总时间

t1=0:n:tm;

t=t1';

%计算初始条件与边界条件

Ti=x.*0;%初始条件

To=1+t.*0;%x=0的边界条件

Te=t.*0;%x=L的边界条件

%建立温度矩阵T

T=ones(N+1,M+1);

T(:,1)=Ti;%第一列为初始条件

T(1,:)=To;%第一行为x=0边界条件

T(N+1,:)=Te;%最后一行为x=L边界条件

%利用差分法求解温度矩阵T

for k=1:M

m=2;

while m<=N;

T(m,k+1)=Fo*(T(m+1,k)+T(m-1,k)-2*T(m,k))+T(m,k);

m=m+1;

end

end

%将时间空间的一维坐标转化为二维坐标

[Y,X]=meshgrid(t1,x);

%根据温度矩阵T绘图

subplot(2,2,1);

mesh(X,Y,T);%三维图绘制