热传导方程(扩散方程)剖析
扩散方程的差分解法
（24）
则
， （25）
则误差方程为
（26）
误差放大因子为
（27）
要满足稳定性条件，则要求对所有的k值均有 。从（28）式中可以看出，当 （即 ）时， 恒成立。因此，全隐格式是无条件稳定的。
4.4收敛性
如果差分方程的解为 ，微分方程的解为 ，若当 ， 时，差分方程的解与微分方程的解之差
扩散方程的差分解法
在研究热传导过程、扩散过程、边界层现象时，我们常常遇到抛物型方程，这类方程中最典型、最简单的就是热传导方程。热传导方程中的自变量中包括时间t，它是描述一种随时间变化的物理过程，即所谓不定常现象。这类问题的基本定解问题应是初值问题，即在初始时刻（t=0）时给定定解条件，求解t>0时的解。
write(2,*) 'x=',x,'m'
do n=1,nt,200
write(2,*) (n-1)*dt,u(j,n)
enddo
if
enddo
!-----------!
end
5.3.2全隐格式
!----------------------------------------全隐格式求解扩散方程-----------------------------------------------!
由以上对一维扩散问题的分析，可知，求解一维扩散方程需给定初始条件及边界条件。
在本文计算中，取 ， 。
初始条件（ 时）
（29）
边界条件为
（30）
其初始时刻（ ）时的u分布如图1所示，x=0m处u随时间变化情况如图2所示，x=10m处u随时间变化情况如图3所示。
图1初始时刻u分布图
图2 x=0处u随时间变化图
热传导方程与扩散方程讲解
x,
y,
z)
u n
dS dt .
在时间间隔[t1, t2 ]中, 温度从u( x, y, z, t1 )变化到u( x, y, z, t2 ), 它所吸收的热量是
c( x, y, z)( x, y, z)[u( x, y, z, t2 ) u( x, y, z, t1 )]dxdydz.
D 为扩散系数
第二节 初边值问题的分离变量法
定解问题
ut a2uxx , 0 x L u |x0 0, u |xL 0 u |t0 ( x)
未知函数分离 u(x, t) X(x)T(t)
T' X a2TX"
泛定方程分离
T' X a 2T X
u u(x,t)
u Tk Xk
典型问题的求解
例题1
分离变量 分别求解 合成半通解 代入初始条件
ut a2uxx 0, 0 x u |x0 0, u |x 0 u |t0 sin x( A B cos x)
u(x,t) X (x)T (t)
分离结果的求解
X" 2 X 0
X (0) X (L) 0
T'a2 2T 0
X ( x) C cos x D sin x
空间方程解出 X (0) C 0
X (L) D sin L 0
非零解条件 非零解
sin L 0 L k k / L, k N
它构成一个定解问题
u
初始问题： t
a2
2u x2
,
x ,t 0
u(x, 0) (x), x
数学物理方法-热传导方程
[t2
t1
kgradu ds]dt
S
流入的热量使V内温度发生了变化，在时间间隔 [t1, t2 ] 内区域V内各点温
度从 u(x, y, z, t1) 变化到 u(x, y, z, t2 ) ，则在 [t1,t2 ] 内V内温度升高所
需要的热量为
Q2 c[u(x, y, z,t2) u(x, y, z,t1)]dV V
移方向的张力应该为零，即 T sin2 T tg2 Tux |xL 0
所以边界条件是：
ux
u x
|xL
0
第二类边界条件又称为Neuman条件。
3.第三类边界条件 给出物理量及其边界上法线方向导数的线性关系
(u
u )
n
f3(M ,t)
其中 为常数。
弦振动问题的弹性支承，即是这类边界条件。
)
——三维热传导方程
其中 a2 k c
若物体内有热源，其强度为 F(x, y, z,t) , 则相应的热传导方程为
u t
a
2
(
2u x2
2u y 2
2u z 2
)
f
(x,
y, z,t)
其中 f F
c
作为特例，如果所考虑的物体是一根细杆（或一块薄板），或者即使不 是细杆（或薄板），而其中的温度只与 x，t（或x，y，t）有关，则三维 热传导方程就变成一维热传导方程
c u dV )dt
t1 V
t1 V
t
t2 (
t2
k2udV )dt (
c u dV )dt
t1 V
t1 V
t
由于时间间隔 [t1, t2 ] 及区域V都是任意取的，并且被积函数是连续的，所以 上式左右恒等的条件是它们的被积函数恒等，即
大学物理-热传导方程的定解问题
在各向同性的介质中，热流强度 q 与温度的负梯度成正比， 即
(k：热传导系数)
|q|：单位时间垂直通过等温面单位面积的热量，即 q 的方向：等温面的法线方向 (由高温指向低温) 定律的物理意义：q 正比于温度的下降率 单位时间内流入 / 流出 V 的热量为
单位时间内热源在 V 中释放 / 吸收的热量为
单位时间内，V 中介质温度升高/降低所需/放出的热量为
能量守恒定律：Q3 = Q1 + Q2 则 由 V 的任意性，得到
若介质均匀，即 k 为常量，有来自定义：，因此得到
当 V 内无热源，即 f = 0，故有
二、扩散方程 1. 扩散现象：当空间各点浓度分布不均匀时，就有粒子
从高浓度处流向低浓度处。(浓度：单位体 积中的粒子数) 2. 方程的推导 设：空间中任一小体积 V，其边界面为 S
粒子源强度：F (x, y, z, t) ——单位时间，单位体积 内产生的粒子数
求：空间各点粒子浓度 u(x, y, z, t) 的方程 V 内粒子数增加的来源：扩散 + 粒子源
扩散浓度：N ——单位时间通过垂直于 v (粒子定向运动速 度) 的单位面积的粒子数 N=uv，方向：v 的方向
对于扩散现象，有斐克定律： 扩散强度与浓度的负梯度成正比，即 D：扩散系数
扩散导致 V 内粒子增加的数量：
粒子源 V 粒子增加的数量： 内粒子数总的增加数：
因粒子数守恒，有 由 V 的任意性，得到 若 D 为常量，且设 D = a2，则
若 V 内无粒子源，即 F = 0，因而
总结：热传导：热量的传递；扩散：粒子的运动，两 者物理本质不同，但满足同一微分方程。
物理学概念知识：拉普拉斯方程和热扩散方程
物理学概念知识：拉普拉斯方程和热扩散方程物理学是研究自然现象的科学。
在物理学中，拉普拉斯方程和热扩散方程都是非常重要的概念。
本文将详细介绍这两个概念，并探讨它们的应用。
一、拉普拉斯方程拉普拉斯方程是指在某个区域内的任何一个点的拉普拉斯函数值等于零的偏微分方程。
数学上，拉普拉斯方程可表示为：Δu = 0其中，Δ是拉普拉斯算子，u是某个函数。
对于三维空间中的拉普拉斯方程，可以表示为：∇²u = (d²u/dx²) + (d²u/dy²) + (d²u/dz²) = 0其中，∇²是三维空间中的拉普拉斯算子，x、y、z是坐标轴。
拉普拉斯方程在物理学中的应用非常广泛。
例如，在静电场和重力场中，电场和引力场的方程就是拉普拉斯方程。
此外，拉普拉斯方程也被应用于热传导、电介质中的介电常数和电势分布等领域。
二、热扩散方程热扩散方程是指在平衡状态下，温度在空间内的变化取决于热扩散。
简单地说，就是能量从温度高的区域流向温度低的区域，直到整个区域内温度达到平衡。
数学上，热扩散方程可表示为：∂u/∂t = α∇²u其中，u是温度，t是时间，∇²是二阶偏微分算子，α是热扩散系数。
热扩散方程的应用非常广泛。
在材料科学中，热扩散方程被广泛应用于研究材料的热传导性能。
在地球物理学中，热扩散方程被用于研究地热和岩石的热传导性能。
在气象学中，热扩散方程被用于预测气象变化，如大气环流等。
三、拉普拉斯方程和热扩散方程的联系拉普拉斯方程和热扩散方程之间存在联系。
事实上，在某些情况下，热扩散方程可以简化为拉普拉斯方程。
例如，在稳态情况下，热扩散方程可以简化为拉普拉斯方程，即：∇²u = 0这时，热扩散的时间因素被忽略，只考虑空间因素。
另外，拉普拉斯方程和热扩散方程也可以通过数学变化联系起来。
例如，在高维空间中，热扩散方程可以转化为拉普拉斯方程。
热传导方程(扩散方程)ppt课件
( x ,t0) ( x )
波方程的Cauchy问题
由泛定方程和相应边界条件构成的定解问题称为 边值问题。
u0, (x,y),
u f (x, y).
Laplace方程的边值问题
由偏微分方程和相应的初始条件及边界条件构成 的定解问题称为混合问题。
uutt0a2(u(xxx,y,uzy)yuzz)0
kn|x0k(x) qnq0
u x
|xl
q0 k
u x |x0
q0 k
xl
若端点是绝热的，则
u u x|xl x x0 0
三、定解问题
定义1 在区域 G[0,) 上，由偏微分方程、初 始条件和边界条件中的其中之一组成的定解问题称为 初边值问题或混合问题。
u ut x,a 02 u xx (x 0),,
注 1、热传导方程不仅仅描述热传导现象，也可以
刻画分子、气体的扩散等，也称扩散方程；
2、上述边界条件形式上与波动方程的边界条件 一样，但表示的物理意义不一样；
3、热传导方程的初始条件只有一个，而波动方 程有两个初始条件。
4、除了三维热传导方程外，物理上，温度的分 布在同一个界面上是相同的，可得一维热传导方
gk1 k
u1.
注意第三边界条件的推导：
研究物体与周围介质在物体表面上的热交换问题
把一个温度变化规律为 u(x, y, z, t)的物体放入 空
气介质中，已知与物体表面接触处的空气介质温度
为 u1(x, y, z, t)，它与物体表面的温度u(x, y, z, t)并不
相同。这给出了第三边界条件的提法。
或
u knk1(uu1).
即得到（1.10）： ( u nu)|(x,y,z) g(x,y,z,t).
扩散方程的差分解法
扩散方程的差分解法在研究热传导过程、扩散过程、边界层现象时，我们常常遇到抛物型方程，这类方程中最典型、最简单的就是热传导方程。
热传导方程中的自变量中包括时间t ，它是描述一种随时间变化的物理过程，即所谓不定常现象。
这类问题的基本定解问题应是初值问题，即在初始时刻（t=0）时给定定解条件，求解t>0时的解。
本文主要运用有限差分法对一维扩散方程进行求解，并对差分解的适定性、相容性、收敛性及稳定性进行分析，同时与解析解进行对比。
1.扩散方程一维扩散方程为：22u u t xα∂∂=∂∂ （1）式中，u 为因知量，α为扩散系数，x 为坐标，t 为时间。
其定解条件如下： 初始条件： (,0)() 0x u x f x L =≤≤（2）边界条件： 12(0,)() , (,)()u t f t u L t f t ==（3） 一般假定函数()f x ，1()f t ，2()f t 满足连接条件，即1(0)(0) f f =，2()(0) f L f =。
2.有限差分法有限差分法是数值计算解微分方程古老的方法之一，也是系统化地、数值地求解数学物理方法的方程。
其控制方程中的导数用离散点上函数值的差商代替。
差分格式可以分为显格式和隐格式。
所谓显格式是指在任一结点上因变量在新是时间层上的值可以通过之前的时间层上相邻结点变量的值显式解出来。
由于这些层的变量值是已知的，当时间向前推进时，空间点上的新的变量值就只需逐点计算就行了，因此显格式计算起来比较省事。
隐格式则是指任一结点上变量在新的时间层的值，不能通过之前的时间层上相邻结点的值显式解出来，它不仅与之前的时间层上的已知值有关，而且也与新时间层的相邻结点的变量值有关。
因而一个差分方程常常包括几个相邻结点上的未知数，未知数的个数取决于格式的构成形式。
为了解出这些未知数需要联立新的方程，而每引进一个新的方程往往又同时引进了新的未知数。
因此，隐格式总是伴随着求解巨大的代数方程组。
热传导的数学模型
热传导的数学模型热传导是指热能从高温区域向低温区域传递的过程。
在实际应用中，我们经常需要准确地描述热传导现象，以便预测和分析各种热力学系统的行为。
为此，我们可以使用数学模型来描述热传导过程。
本文将介绍几种常用的数学模型，包括傅里叶热传导定律、热扩散方程和热传导方程。
傅里叶热传导定律是描述热传导过程中温度变化的基本规律。
它的数学表达式为：q = -kA(dT/dx)其中，q是单位时间内通过物体传导的热量（热流量），k是物质的热导率，A是传热面积，dT/dx是温度随位置的变化率。
这个公式表明热流量与温度梯度成正比，热导率越大，热传导越快。
除了傅里叶热传导定律外，热扩散方程也是描述热传导过程的重要数学模型。
热扩散方程可以描述任意形状、任意材料的物体中的温度分布随时间的变化。
它的数学表达式为：∂T/∂t = α(∇^2T)其中，∂T/∂t表示温度随时间的变化率，∇^2T表示温度的拉普拉斯算子，α是热扩散率。
这个公式表明，温度变化率与温度分布的二阶空间导数成正比，热扩散率越大，温度分布改变越快。
对于一维情况下的热传导，可以使用更简化的热传导方程来描述。
热传导方程是一个关于温度T和位置x的偏微分方程，其数学表达式为：∂T/∂t = α(∂^2T/∂x^2)其中，∂^2T/∂x^2是温度T关于位置x的二阶偏导数。
除了以上几种数学模型，还有一些特殊情况下的热传导模型，如球坐标下的热传导方程、柱坐标下的热传导方程等。
这些模型在实际应用中有着广泛的应用，可以用来解决各种热传导问题。
总结起来，热传导的数学模型有傅里叶热传导定律、热扩散方程和热传导方程等。
这些模型能够帮助我们准确地描述和分析热传导现象，在工程、物理学和地理学等领域具有重要的应用价值。
通过对热传导数学模型的研究，我们可以更好地理解热传导的规律，并应用于实际问题的解决中。
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(1.5)
k , 其中 a c
2
F f , f 称为非齐次项（自由项）。 c
三维无热源热传导方程：
2 2 2 u u u u 2 a 2 2 2 0 . t y z x
u
g( x, y, z, t ),
( x, y, z ) ,
t 0,
(1.8)
特别地：g( x , y , z , t ) 0 时，物体表面保持恒温。
2、第二边界条件 （ Neumann 边界条件）
u k n
g( x , y , z , t ),
( x , y , z ) ,
x
divAdxdydz A ndS
S
知
u u u Q1 [ ( (k ) (k ) (k ))dV ]dt .(1.2) t1 x x y y z z
t2
（3）热源提供的热量Q2 用 F ( x , y , z , t )表示热源强度，即单位时间内从单位 体积内放出的热量，则从 t 1 到 t 2 这段时间内 内热 源所提供的热量为
c (
u dt )dV t
t2 t1
u [ c dV ]dt t
（2）通过曲面 S 进入 内的热量 Q1
由傅里叶热传导定律，从 t 1 到 t 2 这段时间内通过 S 进入 内的热量为
Q1
由高斯公式
t2
t1
u k ( x, y, z ) dS dt , n S
第一章
数学建模和基本原理介绍
从不同的物理模型出发，建立数学物理中三类 典型方程 根据系统边界所处的物理条件和初始状态列出 定解条件 提出相应的定解问题
§1.1 数学模型的建立
数学模型建立的一般方法：
确定所研究的物理量； 建立适当的坐标系； 划出研究小单元，根据物理定律和实验资料写出 该单元与邻近单元的相互作用，分析这种相互 作用在一个短时间内对所研究物理量的影响， 表达为数学式; 简化整理，得到方程。
Q2 [ F ( x, y, z, t )dV ]dt
t1
t2
(1.3)
由热量守恒定律得：
t2 u u u u c dV ]dt [ ( ( k ) ( k ) ( k ))dV ]dt t1 [ t1 t x x y y z z t2
(1.6)
通常称（1.5）为非齐次的热传导方程，而称（1.6） 为齐次热传导方程。
二、定解条件（初始条件和边界条件）
初始条件：
u( x , t ) ( x , y , z ), ( x , y, z ) G , t 0 : (1.7)
边界条件：( G )
1、第一边界条件（ Dirichlet 边界条件）
dQ c [u( x , y, z , t 2 ) u( x , y, z , t1 )]dV
整个 内温度变化 y , z , t
t2 t1
2
) u( x , y , z , t1 )]dV (1.1)
内温度变化所需要的热量 Q =通过曲面 S 流入 内的热量 Q1+热源提供的热量 Q2
下面分别计算这些热量
（1） 内温度变化所需要的能量 Q 设物体 G 的比热（单位质量的物体温度改变 1 C 所需要的热量为c c( x , y , z ), 密度为 ( x , y , z ), 那么包含点 ( x , y , z )的体积微元 dV的温度从 u( x , y , z , t1 ) 变为 u( x, y, z , t 2 ) 所需要的热量为
1、热量守恒定律: 温度变 化吸收 的热量
通过边 界流入 的热量
热源放 出的热 量
2、傅里叶（Fourier）热传导定律:
u dQ k ( x , y , z ) dS dt , n k ( x , y, z ) 为热传导系数。
3、热量公式:
Q cmu
热传导方程的推导： 任取物体 G 内一个由光滑闭曲面 S 所围成的区 域 ，研究物体在该区域 内热量变化规律。 热量 守恒 定律 区域 内各点的温度从时刻 t 1 的温度u( x , y , z , t1 ) 改变为时刻 t 2 的温度 u( x, y, z , t 2 ) 所吸收（或 放出）的热量，应等于从时刻 t 1 到时刻 t 2 这 S 流入（或流出） 段时间内通过曲面 内的 热量和热源提供（或吸收）的热量之和。即
t 0,
(1.9)
特别地：g( x , y , z , t ) 0 时，表示物体绝热。 注：
u 表示 u 沿边界 上的单位外法线方向 n 的方向导数 n
3、第三边界条件 ( D-N 混合边界条件 )
u n u
2 热传导动方程
第一节 热传导方程的导出和定解条件
一、热传导方程的导出：
给定一空间内物体 G ，设其上的点 ( x , y , z ) 模型： 在时刻 t 的温度为 u( x , y , z , t ) 。
问题： 研究温度 u( x , y , z , t ) 的运动规律。
分析：（两个物理定律和一个公式）
[ F ( x , y, z , t )dV ]dt
t1
t2
由 及 t1 , t 2 的任意性知 u u u u c (k ) (k ) (k ) F ( x, y, z, t ).(1.4) t x x y y z z
三维有热源的热传导方程： （均匀且各向同性物 体，即 c , , k 都为常数的物体）