计算流体力学一维稳态导热编程作业
一维、稳态热传导

辐射热阻
Rt,rad
Ts Tsur qrad
1 hr A
K W
(4)热阻的应用:等效热回路
串联
qx
T,1 Ts,1 1 h1A
Ts,1 Ts,2 L kA
Ts,2 T,2 1 h2 A
qx
T,1 T,2 1 L 1
T,1 T,2 Rtot
总温差 总热阻
h1A kA h2 A
qx
k L
Ts,1 Ts,2
热流 热流密度
常数:平壁的特征 热流密度计的基础
• 求解热传导问题的标准方法: 1 先通过求解适当形式的热传导方程得到温度分布。 2 再利用温度分布和傅里叶定律确定传热速率。
热传导方程仅仅是能量守恒方程的一种表达,源自傅里叶定律和能量守恒定律。 故直接使用能量守恒和傅里叶定律也可解决导热问题!
k
dT dr
r
ln
k
r2
/
r1
Ts,1 Ts,2
qr
2 rqr
2 k
ln r2 / r1
Ts,1 Ts,2
qr 2 rLqr
2 Lk
ln r2 / r1
Ts,1 Ts,2
这里为啥空着?
Rt,cond
ln r2 / r1
2 k
Rt,cond
ln r2 / r1
2 Lk
Units m K/W Units K/W
对于一维、稳态、无内热源的圆柱壳,
热扩散方程的形式为
1 r
d dr
kr
dT dr
0
T r r1 Ts,1
T r r2 Ts,2
导热系数为常数时,积分可得
内流和外流,平均系数
计算流体力学课后题作业

课后习题第一章1.计算流体动力学的基本任务是什么计算流体动力学是通过计算机数值计算和图像显示,对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。
2.什么叫控制方程?常用的控制方程有哪几个?各用在什么场合?流体流动要受物理守恒定律的支配,基本的守恒定律包括:质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。
如果流动包含有不同组分的混合或相互作用,系统还要遵守组分守恒定律。
如果流动处于湍流状态,系统还要遵守附加的湍流输运方程。
控制方程是这些守恒定律的数学描述。
常用的控制方程有质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分质量守恒方程。
质量守恒方程和动量守恒方程任何流动问题都必须满足,能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律组分质量守恒方程,在一个特定的系统中,可能存在质的交换,或者存在多种化学组分,每种组分都需要遵守组分质量守恒定律。
4.研究控制方程通用形式的意义何在?请分析控制方程通用形式中各项的意义。
建立控制方程通用形式是为了便于对各控制方程进行分析,并用同一程序对各控制方程进行求解。
各项依次为瞬态项、对流项、扩散项、源项。
6.CFD商用软件与用户自行设计的CFD程序相比,各有何优势?常用的商用CFD软件有哪些?特点如何?由于CFD的复杂性及计算机软硬件条件的多样性,用户各自的应用程序往往缺乏通用性。
CFD商用软件的特点是功能比较全面、适用性强。
具有比较易用的前后处理系统和其他CAD及CFD软件的接口能力,便于用户快速完成造型、网格划分等工作。
具有比较完备的容错机制和操作界面,稳定性高。
可在多种计算机、多种操作系统,包括并行环境下运行。
常用的商用CFD软件有PHOENICS、CFX、SRARCD、FIDAP、FLUENT。
PHOENICS除了通用CFD软件应该拥有的功能外,PHOENICS软件有自己独特的功能:开放性、CAD接口、运动物体功能、多种模型选择、双重算法选择、多模块选择。
计算流体力学作业电子版

1. 已知有限体积法求解的通用控制方程为()()()u div div grad S tρφρφφ∂+=Γ+∂ 其中φ为通用变量,可代表u 、v 、w 、T 等求解变量。
(1)试说明通用控制方程中各项的物理意义;(2)对于特定的方程,φ、Γ、S 具有特定的形式,对应于质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、(多种化学组分的)组分质量守恒方程,试写出φ、Γ、S 的具体表达式。
解答:(1) 方程中的各项(从左到右)分别是瞬态项、对流项、扩散项及源项。
(2)2. 简述有限体积法建立离散方程时应遵守的四条基本原则。
解答:1) 控制体积界面上的连续性原则当一个面为相邻的两个控制体积所共有时,在这两个控制体积的离散方程中,通过该界面的通量(包括热通量、质量通量、动量通量)的表达式必须相同。
即:通过某特定界面从一个控制体积所流出的热通量,必须等于通过该界面进入相邻控制体积的热通量,否则,总体平衡就得不到满足。
2) 正系数原则中心节点系数aP 和相邻节点系数anb 必须恒为正值。
该原则是求得合理解的重要保证。
当违背这一原则,结果往往是得到物理上不真实的解。
例如,如果相邻节点的系数为负值,就可能出现边界温度的增加引起的相邻节点温度降低。
3) 源项的负斜率线性化原则源项斜率为负可以保证正系数原则。
从式(C2)中看到,当相邻节点的系数皆为正值,但有源项Sp 的存在,中心节点系数aP 仍有可能为负。
当我们规定Sp ≤0,便可以保证aP 为正值。
4) 系数aP 等于相邻节点系数之和原则当源项为0时,我们发现中心节点系数等于相邻节点系数之和,而当有源项存在时也应该保证这一原则,如果不能满足这个条件,可以取SP 为0。
3.什么是对流质量流量F 、扩散传导量D 以及Pelclet 数Pe ,试用定义式表达之。
解答:F 表示通过界面上单位面积的对流质量通量(convective mass flux),简称对流质量流量;D 表示界面的扩散传导性(量)(diffusion conductance)。
稳态导热问题

第二章部分答案-稳态导热2-46. 一厚度为7cm 的大平壁,一侧绝热,另一侧暴露于温度为30℃的流体中,其内热源热量为5103⨯W/m 3。
已知该平壁材料的导热系数为18K)W/(m ∙,平壁与流体间的对流表面传热系数为450)K W/(m 2⋅,试确定该平壁中的最高温度位置及其温度值?解:(1) 该题为具有内热源的一维平壁稳态导热问题,导热微分方程式为:022=Φ+λ dxt d 边界条件为:0=x ,0=dxdt ; δ=x ,∞+Φ==t t t w λ2 (根据热平衡求得:δΦ=-∞ )(t t h w ) 解方程,并代入边界条件得温度场为:∞+Φ+-Φ=t h x t δδλ )(222(2) 该平壁中最高温度在0=x 处(即0=dxdt ):117.5 30450)107()103()107(182103225252=+⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯=+Φ+Φ=--∞t h t δδλ ℃ 2-47 核反应堆的辐射防护壁因受γ射线的照射而发热,这相当于防护壁内有ax e -Φ=Φ0 的内热源,其中0Φ 是X=0的表面上的发热率,a 为已知常数。
已知x=0处t=t1,x=δ处t=2t ,试导出该防护壁中温度分布的表达式及最高温度的所在位置。
导热系数λ为常数。
解:由题意导热微分方程0022=Φ+-ax e dx t d λ又x=0处t=t1,x=δ处t=2t积分并结合边界条件可得λδλλλδ2012020210a t x a e a t t a e t a ax Φ++Φ-Φ+--Φ=-- 令0=dx dt 可得:当()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+Φ--=-δδλδa e t t a a x a 1ln 1021时,t 最大。
2-48 核反应堆中一个压力容器的器壁可以按厚为δ的大平壁处理。
内表面(x=0处)绝热,外表面维持在恒定温度2t 。
γ射线对该容器的加热条件作用可以用一个当量热源Φ 来表示,且ax e -Φ=Φ0 ,a 为常数,x 是从加热表面起算的距离。
计算流体力学作业电子版

1. 已知有限体积法求解的通用控制方程为()()()u div div grad S tρφρφφ∂+=Γ+∂ 其中φ为通用变量,可代表u 、v 、w 、T 等求解变量。
(1)试说明通用控制方程中各项的物理意义;(2)对于特定的方程,φ、Γ、S 具有特定的形式,对应于质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、(多种化学组分的)组分质量守恒方程,试写出φ、Γ、S 的具体表达式。
解答:(1) 方程中的各项(从左到右)分别是瞬态项、对流项、扩散项及源项。
(2)2. 简述有限体积法建立离散方程时应遵守的四条基本原则。
解答:1) 控制体积界面上的连续性原则当一个面为相邻的两个控制体积所共有时,在这两个控制体积的离散方程中,通过该界面的通量(包括热通量、质量通量、动量通量)的表达式必须相同。
即:通过某特定界面从一个控制体积所流出的热通量,必须等于通过该界面进入相邻控制体积的热通量,否则,总体平衡就得不到满足。
2) 正系数原则中心节点系数aP 和相邻节点系数anb 必须恒为正值。
该原则是求得合理解的重要保证。
当违背这一原则,结果往往是得到物理上不真实的解。
例如,如果相邻节点的系数为负值,就可能出现边界温度的增加引起的相邻节点温度降低。
3) 源项的负斜率线性化原则源项斜率为负可以保证正系数原则。
从式(C2)中看到,当相邻节点的系数皆为正值,但有源项Sp 的存在,中心节点系数aP 仍有可能为负。
当我们规定Sp ≤0,便可以保证aP 为正值。
4) 系数aP 等于相邻节点系数之和原则当源项为0时,我们发现中心节点系数等于相邻节点系数之和,而当有源项存在时也应该保证这一原则,如果不能满足这个条件,可以取SP 为0。
3.什么是对流质量流量F 、扩散传导量D 以及Pelclet 数Pe ,试用定义式表达之。
解答:F 表示通过界面上单位面积的对流质量通量(convective mass flux),简称对流质量流量;D 表示界面的扩散传导性(量)(diffusion conductance)。
计算流体力学大作业

1 提出问题[问题描述]Sod 激波管问题是典型的一类Riemann 问题。
如图所示,一管道左侧为高温高压气体,右侧为低温低压气体,中间用薄膜隔开。
t=0 时刻,突然撤去薄膜,试分析其他的运动。
Sod 模型问题:在一维激波管的左侧初始分布为:0 ,1 ,1111===u p ρ,右侧分布为:0 ,1.0 ,125.0222===u p ρ,两种状态之间有一隔膜位于5.0=x 处。
隔膜突然去掉,试给出在14.0=t 时刻Euler 方程的准确解,并给出在区间10≤≤x 这一时刻u p , ,ρ的分布图。
2 一维Euler 方程组分析可知,一维激波管流体流动符合一维Euler 方程,具体方程如下: 矢量方程:0U ft x∂∂+=∂∂ (0.1)分量方程:连续性方程、动量方程和能量方程分别是:222,,p u ρ()()()()2000u tx u u pt x x u E p E tx ρρρρ∂⎧∂+=⎪∂∂⎪⎪∂∂∂⎪++=⎨∂∂∂⎪⎪∂+⎡⎤∂⎣⎦+=⎪∂∂⎪⎩ (0.2)其中 22v u E c T ρ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭对于完全气体,在量纲为一的形式下,状态方程为:()2p T Ma ργ∞=(0.3)在量纲为一的定义下,定容热容v c 为:()211v c Ma γγ∞=- (0.4)联立(1.2),(1.3),(1.4)消去温度T 和定容比热v c ,得到气体压力公式为:()2112p E u γρ⎛⎫=-- ⎪⎝⎭(0.5)上式中γ为气体常数,对于理想气体4.1=γ。
3 Euler 方程组的离散3.1 Jacibian 矩阵特征值的分裂Jacibian 矩阵A 的三个特征值分别是123;;u u c u c λλλ==+=-,依据如下算法将其分裂成正负特征值:()12222k k k λλελ±±+=(0.6)3.2 流通矢量的分裂这里对流通矢量的分裂选用Steger-Warming 分裂法,分裂后的流通矢量为()()()()()()()12312322232121212122f u u c u c u u c u c w γλλλργλλλγλλγλ⎛⎫⎪-++ ⎪=-+-++ ⎪ ⎪ ⎪-+-+++ ⎪⎝⎭+++++++++++(0.7)()()()()()()()12312322232121212122f u u c u c u u c u c w γλλλργλλλγλλγλ⎛⎫⎪-++ ⎪=-+-++ ⎪ ⎪ ⎪-+-+++ ⎪⎝⎭-----------(0.8)其中:()()()223321c w γλλγ±±±-+=- c 为量纲为一的声速:22Tc Ma ∞=(0.9)联立(1.3),(1.9)式,消去来流马赫数得:ργp c =3.3 一阶迎风显示格式离散Euler 方程组 10n n i i x i x i U U f f t xδδ+-++--++=∆∆ (0.10)得到()()n+1nj j 11U =U j j j j t f f f f x++---+∆⎡⎤--+-⎣⎦∆ 算法如下:① 已知初始时刻t=0的速度、压力及密度分布000,,j j j u P ρ,则可得到特征值分裂值0k λ±,从而求出流通矢量0j f ±;② 应用一阶迎风显示格式可以计算出1t t =∆时刻的组合变量1j U ,从而得到1t t =∆时刻的速度、压力及密度分布111,,j j j u P ρ;③ 利用1t t =∆时刻的速度、压力及密度分布111,,j j j u P ρ可得特征值分裂值1k λ±,从而求出流通矢量1j f ±;④ 按照步骤2的方法即可得到2t t =∆时刻的速度、压力及密度分布222,,j j j u P ρ;⑤ 循环以上过程即可得到()1t n t =+∆时刻的速度、压力及密度分布n+1n+1n+1,,j j j u P ρ。
3传热学-一维稳态导热

L
1 + h 1 ⋅ 2 π r1
∑
n
i =1
3 通过空心球壁的导热
Heat conduction through a spherical shell
第一类边界条件
Constant surface temperature
热导率λ=C, 圆筒内径r1, 外径r2, 无内热源
•微分方程
Heat equation
• 热流密度
Heat flux
t w1 − t w 2 dt 1 q = −λ =λ ⋅ 2 = f (r ) dr 1 / r1 − 1 / r2 r t w1 − t w 2 1 1 1 − 4πλ r1 r2
• 热流量
Heat rate Φ = − λ A dt = dr
• 热流量
Heat rate
材料热导率随温度而变
λ= λ0(1+bt) •微分方程
Heat equation
d dx t t
dt λ =0 dx = t w1 = tw2
• 边界条件
Boundary condition
x=0 x =δ
• 温度分布
Temperature distribution
t A − tB Rc = q
7 延伸体的导热
Heat conduction from extended surfaces
Fin configurations
延伸体的种类
Straight Fins of uniform cross section
7.1 等截面直肋
假设(Assumptions)
r = r1
r = r1 → r 2
计算传热学第6节-第2章 一维导热3

TP1 =0.334T =0.334*4.64+2.118=3.67 P2+2.118
TP2 =0.602*5.24+1.49=4.64 TP3 =0.718*5.45+1.328=5.24
P4
P5 Pa Pb
代入可得 aP1=aP10 aP2=aP20 aP3=aP30 aP4=aP40 aP5=aP50
= = = = =
aE1(TP1,TP2)TP2+aW1(TP1)Tpa +6 aE2(TP2,TP3)TP3+aW2(TP2,TP1)TP1+6 aE3(TP3,TP4)TP4+aW3(TP3,TP2)TP2+6 aE4(TP4,TP5)TP5+aW4(TP4,TP3)TP3+6 aE5(TP5) TPb+aW5(TP5,TP4)TP4+6
解方程可得 TP1=TP11 TP2=TP21 TP3=TP31 TP4=TP41 TP5=TP51 代入可得 aP1=aP11 aP2=aP21 aP3=aP31 aP4=aP41 aP5=aP51
Pa Pb
TPa =3 TPb =5 解方程可得 TP1=TP1n TP2=TP2n TP3=TP3n TP4=TP4n TP5=TP5n
一维导热讨论问题
导热系数为x的函数λ
Pa P1 P2
λ=10W/m·k
(x)
P3
λ=50W/m·k P4 P5 Pb T=5℃
T=3℃
Δx=0.6m Δx=0.6m Δx=0.6m Δx=0.6m Δx=0.6m
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The Finite Volume Method for One-Dimensional
Diffusion Problems
I. Problem of 1-dimensional Steady-State Source-free Heat Conduction
Consider the problem of source-free heat conduction in an insulated rod whose ends are maintained at constant temperatures of 100℃ and 500℃ respectively. The one-dimensional problem sketched in the Figure 1 is governed by
0=⎪⎭
⎫ ⎝⎛dx dT k dx d Calculate the steady state temperature distribution in the rod. Thermal conductivity k equals 1000W/m/K, cross-sectional area A is 10-2m 2
.
Fig. 1 Physical Model
1网格划分
条件
2
210500100,//1000,
1.05/,5.0m A T T K m W k m L x m L B A -======∆=℃℃,
2方程离散
0.5 m
T B =500
T A =100
Area(A) B
A
求解域内共有5个节点,节点2、3、4的离散方程:
W w WP w E e PE e W P w WP w e PE
T A x k T A x k T T A x k A x k ⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⋅⎪⎪⎭⎫
⎝⎛+⋅=⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛δδδδ0e 由于k k k w e ==,x x x WP Pe δδδ==,A A A W e ==均为常数,因此对节点2、3、4有离散方程:
E E W W P P T a T a T a +=
式中A x k a W δ=
,A x
k a E δ=,E W P a a a +=, 节点1的离散方程:0=---AP
A
P w w PE P E e
e x T T A k x T T A k δδ
A w AP w E e PE e W P w AP w e PE
e T A x k T A x k T T A x k A x k ⋅⎪⎪⎭⎫
⎝⎛+⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⋅=⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛δδδδ0 可写为:u E E W W P P S T a T a T a ++= 其中e PE
e
E A x k a δ=
, 0=W a , P E W P S a a a -+=, w AP
w P A x k
S δ2-=, A w AP w u
T A x k S ⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=δ2 同理,节点5的离散方程0=---WP
W P w w PB P
B e
e x T T A k x T T A k δδ
B e PB e W w WP w E P e PB e w WP
w T A x k T A x k T T A x k A x k ⋅⎪⎪⎭⎫
⎝⎛+⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⋅=⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛δδδδ0 可写为:u E E W W P P S T a T a T a ++= 其中0=E a , w WP
w
W A x k a δ=
, P E W P S a a a -+=, PB
e
P x k S δ2-
=, B e PB e u T A x k S ⋅⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=δ2 所以得到各节点的a W , a E , a P , S c , S p 的值
各节点离散方程系数
值 节点
a W a E
S p
S u
a P= a W +a E -S p
1 0
A x k δ A x
k δ2
- A AT x
k
δ2
A x k δ3
2 A x k δ A x k δ 0 0 A x k δ2
3 A x
k δ A x
k δ 0 0 A x k δ2 4 A x
k δ A x k δ 0
A x k δ2 5
A x
k δ 0
A x
k δ2
- B AT x
k
δ2
A x k δ3 即:
值 节点
a W a E S p S u
a P= a W +a E -S p
1 0 100 -200 A T 200
300 2 100 100 0 0 200 3 100 100 0 0 200 4 100 100 0 0
200 5
100
-200
B T 200
300
从而得下述代数方程组 ⎪⎪⎪⎩⎪
⎪⎪⎨⎧+=+=+=+=+=B A T T T T
T T T T T T
T T T T T 200100300100100200100100200100100200200100300455
3442331221 写成矩阵形式有:
⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢
⎢
⎢
⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡--------B A T T T T T T T 200000200300100000100200100000100200100000100200100000100
30054321
将500,100
==B A T T 代入,解得此方程组为:
⎥
⎥
⎥
⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡46038030022014054321T T T T T 3程序
C 程序内容如下:
#include "stdafx.h" #include <stdio.h> #define N 5 int main() {
int i;
double GL,TA,TB,dx,k,Area,Lenth;
double AW[N+1],AE[N+1],AP[N+1],SP[N+1],SU[N+1]; double
a[N+1],b[N+1],c[N+1],f[N+1],M[N+1],L[N+1],U[N+1],Y[N+1],T[N+1];
Lenth=0.5; //长度
TA=100; //西边界温度 TB=500; //东边界温度 dx=Lenth/N; //网格宽度 k=1000; //导热系数 Area=0.01; //截面积
//第一点计算 AW[1]=0.0;
AE[1]=k*Area/dx; SP[1]=-2*k*Area/dx; SU[1]=2*k*Area/dx*TA; // 最后一点计算 AW[N]=k*Area/dx; AE[N]=0.0;
SP[N]=-2*k*Area/dx; SU[N]=2*k*Area/dx*TB; // 中间点计算
for(i=2;i<=N-1;i++) {
AW[i]=k*Area/dx; AE[i]=k*Area/dx; SP[i]=0.0; SU[i]=0.0;
}
//计算Ap
for(i=1;i<=N;i++) AP[i]=AW[i]+AE[i]-SP[i];
//三对角方程组追赶法求解
for(i=1;i<=N;i++)
{
a[i+1]=-AE[i];
b[i]=AP[i];
c[i]=-AW[i+1];
f[i]=SU[i];
}
for(i=1;i<=N-1;i++)
U[i]=c[i];
L[1]=b[1];
for(i=2;i<=N;i++)
{M[i]=a[i]/L[i-1];
L[i]=b[i]-M[i]*U[i-1];}
Y[1]=f[1];
for(i=2;i<=N;i++)
Y[i]=f[i]-M[i]*Y[i-1];
T[N]=Y[N]/L[N];
for(i=N-1;i>=1;i--)
T[i]=(Y[i]-U[i]*T[i+1])/L[i];
printf("方程组ax=b的解为:\n");
for(i=1;i<=N;i++)
printf(" T[%d]=%.3f\n",i,T[i]);
return 0;
}。