三维热传导问题温度场分布的数值分析
热传导问题的数值模拟
热传导问题的数值模拟热传导是自然界中一种普遍存在的物理现象，其在许多领域都有着广泛的应用。
在工程领域，对于许多工程问题的求解过程中，需要对热传导问题进行数值模拟。
本文将从热传导问题的基本理论出发，介绍一些热传导问题的数值模拟方法及其应用。
一、热传导基本理论热传导是指热量从高温区传递到低温区的现象。
在热传导过程中，热流量的方向和大小受到热传导物质的性质及其温度差等因素的影响。
热传导物质分为导热性能好的导体和导热性能差的绝缘体两种类型。
根据傅里叶定律和傅立叶热传导方程，热传导问题可以用以下的偏微分方程来描述：∂u/∂t = α(∂²u/∂x²+∂²u/∂y²+∂²u/∂z²)+f(x,y,z,t)其中，u(x,y,z,t)表示温度分布，f(x,y,z,t)表示源项（可能是热源或热损失），α为导热系数，t为时间，x、y、z为空间坐标。
二、数值模拟方法热传导问题的数值模拟主要采用有限元法、有限体积法、有限差分法等方法进行计算。
下面将分别介绍这三种方法。
1. 有限元法有限元法（Finite Element Method, FEM）是一种广泛应用于数值分析领域的方法。
在热传导问题的数值模拟中，有限元法的基本思想是将要求解的物理问题离散化，将其分解成有限个简单的元件来进行求解。
具体而言，可以将热传导区域分解成一系列的小单元，然后根据有限元法的原理，通过计算每个单元内的热传导能量，并利用边界条件，在整个区域内拼凑成一个整体的方程组，在求解这个方程组后得到热传导问题的解。
2. 有限体积法有限体积法（Finite Volume Method, FVM）是一种以连续性方程为基础，采用体积平均原理离散化控制体积的方法。
有限体积法在处理不规则域的问题时具有重要的优势。
在热传导问题的求解中，可以采用有限体积法离散分析过程。
对于一个立方体体积元，可以用守恒方程将体积元内部的能量和热流量进行刻画。
热传导温度场不确定性数值分析
关键词
不确定 性
区间分析
热传导
矩 阵摄动 Ａ
中图法分类号
Ｔ Ｋ １ ２ ４ ；
文献标志码
在 很多 实际工 程 结 构 中 ， 一些 重 要 的结构 参 数 往 往存 在 误 差 或 不 确 定 性 。处 理 不 确定 性 问 题 的 方 法 主要有 三 种 ： 随机模型、 模 糊 模 型 和 区 间 分 析 模型¨ Ｊ ， 分 别 适 用 于 解 决 不 同类 型 的 不 确 定 性 问 题 。区间分 析 模 型 则 适 用 于统 计 信 息 不 足 以描 述 不确定 参数 的概 率分 布 或 隶 属 函数 ， 或 者 仅 知道 不 确 定参 数 的取 值 范 围 ， 并 想 获 得 响应 的 区间 范 围 的 情 况 。 目前 ， 区 间分析 方 法 在 结构 动 力 特 性分 析 方
第ｌ ３卷 第 ６期
２ ０ １ ３年 ２月
科
学
技
术
与
工
程
Ｖ ｏ ｌ ＿ １ ３ Ｎｏ ． ６ Ｆ ｅ ｂ ．２ ０ １ ３
１ ６ ７ １ —１ ８ １ ５ （ ２ ０ １ ３ 、 ０ ６ － １ ６ ０ ６ — ０ ３
Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
１ ６ ０ ７
在式 （ １ ） 一式（ ３ ） 所 给 出 的控 制 方 程 和 边 界 条
件 中， 相关参数均为 区间变量 ， 具 有管 横 截 面 的 热 传 导 温 度 场 区 间 分 析 问 题， 如图 １ 所示 ， 内径 为 ０ ． ８ １ １ ３ ＿ ， 外径 为 １ ． ０ ｍ， 沿 横 截 面厚 度方 向温 度 不 变 ， 外 圆弧 边 界 为第 一类 边 界 条件 ， 内 圆弧 边 界 是 第 二 类 边 界 条 件 ， 现 考 虑 各 物
三维稳态导热问题数值求解 实验内容的ppt讲解
第一类边界条件
tAB=ti,M=200℃； tBC=tL,j=100℃ ； tCD=ti,0=50℃； tDA=t0,j=50℃；
上边界200℃
其余边界50℃
导热系数为常数、稳态、无内热源时的导 热微分方程式（控制方程）为
t t t 2 2 0 0℃； tbob=50℃； tlb=50℃； trb=50℃； tfb=50℃； tbab=50℃；
划分为10×10×10的三维网格后，Δx=Δy=Δz
实验一、三维稳态导热问题数值求解
一正方体金属块，其长宽 高均为0.1m,上边界面温 度为200℃，其他5个面 温度均为50℃，利用C语 言在10×10×10三维网 格上编写该三维稳态导热 问题计算程序，并求出图 2中所示中间面的温度分 布。
实验一、三维稳态导热问题数值求解
一正方体金属块，其长宽高均为0.1m,上边界面温度 为200℃，其他5个面温度均为50℃，利用C语言在 10×10×10三维网格上编写该三维稳态导热问题计 算程序，并求出图中所示中间面的温度分布。
a /( c) ，称为热扩散率。 式中，
对于二维问题，导热微分方程式为
2 2 t t t a x 2 y 2
初始条件（时间条件）
t 0 t0 50 C
第一类边界条件
t
tAB=200℃； tBC=100℃； tCD=50℃； tDA=50℃；
划分为10×5的二维网格后，Δx=Δy 内节点离散方程（显式差分格式）
t i , j Fo t i 1, j t i 1, j t i, j 1 t i , j 1 1 4Fot i , j
k 1 k k k k k
三维热通量计算
三维热通量计算热通量计算是研究热传递过程中能量传递的重要手段之一。
在能源领域和环境科学中，热通量的计算对于工程设计和环境评估具有重要意义。
三维热通量计算是一种用于计算三维空间中热通量分布的方法，它可以帮助我们理解和分析热传递的机理以及改进热传递系统。
三维热通量计算是基于热传导方程的解析方法和数值方法来实现的。
热传导方程描述了热传递过程中的温度分布和能量传递的速率。
根据热传导方程，我们可以计算出热通量在三维空间中的分布。
在进行三维热通量计算之前，我们需要收集一些必要的信息和数据。
首先，我们需要了解热传导的边界条件，包括温度边界条件和热通量边界条件。
温度边界条件可以是已知的温度分布，而热通量边界条件可以是已知的热通量分布或者热传导表面的材料参数。
其次，我们需要了解热传导材料的热物性参数，如热导率、导热系数和比热容等。
这些参数可以通过实验测量或者文献查找获得。
有了这些信息和数据，我们可以使用解析方法或者数值方法进行三维热通量计算。
解析方法是根据边界条件和热传导方程的解析解来计算热通量分布。
这种方法适用于简单的几何形状和边界条件的情况。
但对于复杂的几何形状和边界条件，解析方法可能无法直接求解。
在这种情况下，我们可以使用数值方法，如有限元法或有限差分法，来近似计算热通量分布。
数值方法将三维空间划分为许多小的单元，在每个单元内进行热传导方程的离散化计算。
通过迭代计算，我们可以得到整个三维空间内的热通量分布。
数值方法的优点是适用于复杂的几何形状和边界条件，并且可以得到比解析方法更精确的结果。
除了计算热通量分布，我们还可以通过三维热通量计算来分析和优化热传递系统。
通过改变边界条件和材料参数，我们可以评估不同方案对于热传递性能的影响。
这可以帮助我们设计更有效的热传递系统，提高能源利用率，并减少能源消耗。
总之，三维热通量计算是研究热传递过程中热通量分布的重要工具。
通过收集必要的信息和数据，并运用解析方法或数值方法，我们可以计算出三维空间中的热通量分布，并用于分析和优化热传递系统。
三维热传导方程式推导
三维热传导方程式推导
三维热传导方程式，是一种基于物理原理和数学理论，通过定量研究物体传播热能的方程式，是热力学研究中诸多计算有关过程中，使用最为广泛的工具之一。
三维热传导方程式所需求解的热传导问题，可以用在建筑学、服装设计、厨具制造、建筑物保温和降温以及微电子元件加工等行业，既可以用来计算主要组成物质在一定温度和压力下的性质，也可用来确定材料在某一温度范围内以及气体介质中温度分布等等问题。
在实际应用中，三维热传导方程式可以帮助我们解决很多问题，比如，当我们在设计一座建筑物时，可以使用三维热传导方程式计算4墙的材质和厚度，以确保最佳的保温气体。
同样，这种方程式也可以应用于制作家具，例如，我们可以计算不同层次的家具内壁的温度，以优化家具的保温性能。
此外，三维热传导方程式还可以让我们计算太阳能的转化效率，以此设计出最有效率的太阳能热水器等，以更好地利用太阳能资源。
三维热传导方程式不仅在工业中有重要作用，而且在世界范围内被广泛应用于生活中。
无论是制作家具还是优化太阳能利用率，这都是普通大众不可或缺的一项工作，因此它值得我们去学习和深入钻研。
不仅如此，随着人类技术的发展，三维热传导方程式也在不断发展中，因此每个人都应对其有所涉猎，以获取该物理学领域的最新知识，从而更好地实现日常生活中的娱乐。
热传导问题的数值模拟及解析研究
热传导问题的数值模拟及解析研究热传导问题是工程、物理和材料科学领域中一个重要的课题。
在实践应用中，解决热传导问题可以帮助我们优化生产过程、改善设备性能以及预测材料的寿命，具有极大的意义。
数值模拟和解析研究是解决热传导问题的两种常用方法，它们各自有着自己的特点和应用范围。
数值模拟方法是在计算机上通过建立数学模型和求解方程组来模拟热传导过程的一种方法。
数值模拟方法的主要优点在于可以模拟复杂的边界条件和几何结构，具有较强的适用性。
不管是传统的有限差分法还是较新的有限元方法，数值模拟方法都可以提供非常精确的结果。
然而，数值模拟方法也存在着一些局限性。
首先，数值模拟方法需要大量的计算资源和计算时间，特别是在三维场景下，计算成本更加显著。
其次，模型设置和参数选择对结果的精确性有着重要影响，需要经验和专业知识的支持。
解析研究是研究热传导问题的传统方法，通过数学分析和求解热传导方程得到解析解。
解析解具有数学上的精确性，可以提供问题的全局性和稳定性，从而为我们提供问题的一些重要性质。
然而，在实际应用中，解析解往往只适用于简单几何形状和较为理想的边界条件。
对于复杂的问题，解析解往往无法得到，需要借助数值模拟方法。
在实际的研究和工程应用中，数值模拟和解析研究常常结合使用，互为补充。
首先，可以通过解析研究来对热传导问题进行预研，了解问题的一些基本性质和规律。
其次，可以通过数值模拟方法模拟复杂的工程场景和真实条件，提供更加详细和全面的结果。
数值模拟方法可以通过调整模型参数，优化边界条件等方式，逐步逼近真实情况，使研究结果更加准确和可靠。
当然，热传导问题的数值模拟和解析研究也面临一些挑战和限制。
首先，热传导问题的数学模型并不是完美的，它们常常需要在实际应用中进行修正和改进。
其次，参数的选择和设定需要经验和专业知识的支持，否则可能会导致结果的偏差。
此外，数值模拟方法在建模过程中需要进行网格划分，网格的选择和划分对结果的准确性和计算效率有重要影响。
三维温度场
三维温度场三维温度场是指在三维空间中，不同位置的温度分布情况。
温度场是一个重要的物理概念，它在工程、物理学和气象学等领域中有着广泛的应用。
本文将介绍三维温度场的基本概念、特性及其应用。
在自然界中，温度是一个重要的物理量，它描述了物体内部分子的热运动状态。
而温度场则是描述了空间中不同位置的温度变化情况。
三维温度场是指在三维空间中的温度分布情况。
三维温度场的特性决定了物体内部和周围环境之间的热传导过程。
热传导是指热量从高温区域向低温区域传递的过程。
在三维温度场中，热量的传递会受到温度梯度的影响，即温度的变化率。
如果温度梯度较大，热传导速率也会较大。
三维温度场还受到物体的边界条件和材料属性的影响。
边界条件是指在空间中的一些位置上，温度被限制在一定的数值范围内。
而材料属性则决定了物体的热传导特性，如热导率和热容量等。
三维温度场的研究对于许多领域都具有重要意义。
在工程领域中，例如建筑和机械设计中，对于热传导过程的研究可以帮助优化设计，提高能源利用效率。
在物理学中，对于热传导方程的研究可以帮助理解物质内部的热运动规律。
在气象学中，对于大气中的温度分布情况的研究可以帮助预测天气变化。
为了研究三维温度场，科学家和工程师们使用了各种数值模拟和实验方法。
数值模拟是一种常用的方法，它基于数学模型和计算方法来模拟三维温度场的分布情况。
在数值模拟中，研究人员需要将空间划分为离散的网格点，并根据边界条件和材料属性来计算每个网格点的温度。
通过迭代计算，可以得到整个空间中的温度分布情况。
实验方法是另一种研究三维温度场的常用手段。
科学家和工程师们可以通过传感器来测量不同位置的温度，并将这些数据用于分析。
实验方法可以提供更精确的温度分布数据，但通常需要更大的成本和时间投入。
三维温度场的研究对于解决许多实际问题具有重要意义。
例如，在火灾安全领域，了解建筑物中的温度分布情况可以帮助设计有效的防火措施。
在电子设备设计中，了解电路板中的温度分布情况可以帮助优化散热设计，提高设备的可靠性。
板坯连铸过程包含相变的三维瞬态热传导数值模拟
连铸是 目前 钢铁 生 产 最重 要 的方 法 之一 ， 准
由于 钢水凝 固结 晶过 程释放 的潜 热 和运 动 的板 坯
确了解连铸过程的相关情况很有意义－ ． 】 钢水注 Ｊ 人结 晶器经冷却后形成凝 固坯壳， 其内部还是钢
液， 必须 有足 够 的凝 固层 厚 度才 能 有 效 防止 漏 钢
中图分 类号 ：Ｔ １．４ Ｆ１ １３ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１７ －６０ ２０ ）４０ ６ － ６ １ ２ （０ ７ ０ －２ ４０ ６ ５
Ｔｈ ｅ － ｉ ｅ ｓｏ ｌｎ ｍ ｅ ｉａ ｉ ｕ ａ ｉｎ ｏ ｒ ｎ ｉｎ ｅ ｔｔａ ｓｅ ｒ ｅ ｄ ｍ ｎ ｉｎａ ｕ ｒｃ ｓｍ ｌｔｏ ｆｔ ａ ｓｅ ｔｈ ａ ｒ ｎ ｆ ｒ ｌ ｗｉｈ ｐ ａ ｅ ｃ ａ ｇ ｕ ｉ ｇ ｃ ｎ ｉ ｏ ｓ ｃ ｔｎｇ ｐｒ ｃ ｓ ｆｓａ ｔ ｈ ｓ ｈ ｎ ｅ ｄ ｒｎ ｏ ｔｎｕ ｕ ａ ｉ ｏ ｅ ｓｏ ｌｂ ｓ
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｔｈ ｅ — ｉ ｎ ｉｎ ｎ ｍｅ ｃ ｌ ｎ ｌ ｓ ｏ ｔ ｎ ｉｎ ｈ ａ ｔ ｓｅ ｉ ｔ ｅ ｒ ｅ ｄｍｅ ｓｏ ａ ｌ ｕ ｒ ａ ａ ａｙ ｉ ｆ ｒ ｓｅ ｔ ｅ ｔ ｒ ｆ ｒ ｎ ｈ ｍｏ ｌ ａ ｄ ｌ ｂ ｓ ｉ ｓ ａ ｎ ａ ｕ ｄ ｎ ｓａ ｉ ｉ ｖ ｓｉａｅ ｎ ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ Ｆ ｒ ｔ ｅ ｎ ｍｅ ｃ ｌ ｃ ｍｐ ｔｔ ｎ ｈ ｎ ｔ ｌｍｅ ｔｍｅ ｈ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｃ ｍｍｅ ｃ ａ ｎ ｅ ｔ ｔｄ ｉ ｈｓ ａ ｅ ． ｏ ｈ ｕ ｒ ａ ｏ ｕ ａｉ ，ｔ ｅ ｆ ｉ ｅｅ ｎ ｔ ｏ ｎ ｈ ｏ ｇ ｉ ｏ ｉ ｅ ｒｉ ｌ
Ｚ ＨＯ ｉ—ｏ ｇ Ｅ ａ ｇｈ Ｕ Ｊａｙ ｎ ，Ｐ ＮＧ Ｘｉｎ —ｅ
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 ➢ 施加边界条件
施加上表面温度 °
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 ➢ 施加边界条件
施加下表面温度 °
19
三维热传导问题温度场分布的数值分析
➢ 运用
对圆柱体进行热分析的步骤如下：
（ ）按照圆柱体的实际几何尺寸 建立圆柱体的三维计算模型；
（ ）定义热分析的类型 即选择“稳态热传导”；
（ ）确定圆柱体的材料，设置模型的材料属性 并将三维计算模型进行网 格划分；
（ ）设定模型边界条件温度，然后进行分析计算；
（ ）对计算结果进行后处理 如得出整个计算模型或某个部件的温度分布 图以及热通量分布图等。
20
三维热传导问题温度场分布的数值分析 ➢ 温度场（ ）的分析结果
21
三维热传导问题温度场分布的数值分析
三维热传导问题温度场分布的数值分析
题目： 三维热传导问题温度场分布的数值分析 报告组别：第一组
1
三维热传导问题温度场分布的数值分析 ➢ 方法简介 ➢ 具体内容 ➢ 应用实例 ➢ 影响条件
2
三维热传导问题温度场分布的数值分析
➢ 方法简介
分析解法：数学分析严谨，只有少数几何形状和边界 条件都比较简单的导热问题才能精确地分析求解
➢
【 】：扫掠划分，可以扫掠的实体划分后具有的是六面体单元，也可能包含楔形单元，其他
实体采用四面体单元划分，扫掠划分要求实体在某一方向上具有相同的拓扑结构。
➢
【
】：多重区域网格划分自动对几何体进行分解成映射区域和自由区域，可以自动判断区
域并生成纯六面体网格，对不满足条件的区域采用更好的非结构网格划分，多重区域网格划分和扫掠
➢ 影响条件
结构形状（几何尺寸）
结构材质（导热系数）
其他因素（边界条件）
26
三维热传导问题温度场分布的数值分析
网格划分相似，但更适合于用扫掠方法不能分解的几何体
➢
【
】：采用流体网格 划分实体
15
三维热传导问题温度场分布的数值分析
➢ 总体来说，对于空间物体而言，我们应当尽量使用六面体网格。
➢ 当对象是一个简单的规则体时，使用扫掠网格划分是合适的；
➢ 当对象是对个简单的规则体组成时，使用多域扫掠网格划分是合适的；
➢ 接着尽量使用六面体主导的方式，它会在外层形成六面体网格，而在心部填充四面体网格。
➢ 四面体网格是最后的选择。其中如果要忽略一些小细节，如倒角，小孔等，则使用
算法
➢ 如果要要考虑一些小细节，则使用
算法。
➢ 至于自动网格划分，是最傻瓜化的方式，一般对于初学者适用。
16
三维热传导问题温度场分布的数值分析 ➢ 施加上表面温度 ° （下表面 ° 同理）
➢ 通过
软件计算得到的计算模型温度分布图可
以看出
（ ）计算模型等温线致是围绕着圆柱体轴心三维对称分布的 轴线上的温 度分布大致为线性分布。
（ ）在圆柱体上表面 由于直接接触高温气体，致使工作温度接近于100℃ 。
（ ）圆柱体的温度分布是从上向下逐渐降低，且靠近上表面的温度最高， 但尚属于安全工作范围。
➢ 网格划分类型根据算法可以分为：协调分片算法【 】和独立分片算法【
】。
➢ 网格划分类型根据单元形状可以分为：四面体网格
【
】 ，六面体网格【
】 ，四
边形网格【
】 ，三角形网格【
】。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析
➢
【
】：程序自动划分网格
➢
【
】：采用四面体单元划分。
➢
【
】 ： 主要采用六面体单元划分， 但是包含少量金字塔单元和四面体单元 。
22
三维热传导问题温度场分布的数值分析 ➢ 热流密度（ ）的分析结果
23
三维热传导问题温度场分布的数值分析
➢从
计算结果（如图所示）可以看出：
圆柱体的热流密度为常值
。
q grad t t n
n
由傅里叶定律可知，导热热流密度的大小与温度梯度的绝对值成正 比，其方向与温度梯度的方向相反。即当热流密度为常值时，温度变化 率也为常值，圆柱体内部温度场的分布为线性分布。
数值解法：运用计算机辅助工程技术 ，求解复杂传 热问题，应用范围广、解题速度快、精确度高
实验方法：费用高、时间长、不易重复
3
三维热传导问题温度场分布的数值分析
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ➢ 数值分析解法
有限单元法（
、
、）
有限差分法（
）
有限体积法（ ）
边界元法（ 、 语言、 ）
4
三维热传导问题温度场分布的数值分析
➢
软件是第一个通过
质量认证的大型分
析设计类软件，是美国机械工程师协会（ ） 、美国核
安全局（ ）及近二十种专业技术协会认证的标准分析软
件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认
证并在国务院十七个部委推广使用。
5
三维热传导问题温度场分布的数值分析
➢
稳态热分析
6
三维热传导问题温度场分布的数值分析 ➢ 结构分析与热分析的类比
显而易见 当上表面接触100℃高温气体时，对圆柱体下表面进行冷 却的效果是极好的，阻止了高温的扩散。
24
三维热传导问题温度场分布的数值分析
➢ 进一步拓展 改变哪一些条件，温度场将会随之改变？ 答：即单值性条件的 个方面：几何条件、物
理条件、时间条件、边界条件。
25
三维热传导问题温度场分布的数值分析
图 计算模型三维结构示意图
9
三维热传导问题温度场分布的数值分析
➢ 解题步骤
选择稳态热分析系统。
确定材料参数：稳态传热问题，仅输入热传导系数。
【
】建立几何模型：考虑对称性，建立 圆柱体。
进入【
】分析程序。
网格划分：采用系统默认网格。
施加边界条件：圆柱体对称面无热量交换，为绝热边界，系统默认无需输入，圆柱体其它外表 面输入温度。
设置需要的结果：温度分布。
求解及结果显示。
10
三维热传导问题温度场分布的数值分析 ➢ 生成草图
11
三维热传导问题温度场分布的数值分析 ➢ 建成模型
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 ➢ 网格划分
网格离散的单元类型为六面体，网格划分的节点数为 ，单元 数为 。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析
7
三维热传导问题温度场分布的数值分析 ➢ 热分析符号及单位
8
三维热传导问题温度场分布的数值分析
➢
三维稳态热传导数值分析—圆柱体的稳态传
热
问题：圆柱体，直径为 ，长为 上方施加100 ℃的温度载荷 ，下端面温度为0 ℃ ，研究圆柱体内部温度场的分布。（假设 圆柱体和外界无热交换）。材料为钢，它的热传导系数为 30w/ m.℃（22℃时）。见图 。