计算传热学第讲扩散方程的数值解优秀课件.ppt
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1、计算传热学第讲扩散方程的数值解计算传热学第讲扩散方程的数值解第1页,本讲稿共83页主要内容主要内容l l一维稳态问题的数值解一维稳态问题的数值解一维稳态问题的数值解一维稳态问题的数值解l l一维非稳态问题一维非稳态问题一维非稳态问题一维非稳态问题l l多维非稳态问题的离散化多维非稳态问题的离散化多维非稳态问题的离散化多维非稳态问题的离散化l l差分方程的求解差分方程的求解差分方程的求解差分方程的求解第2页,本讲稿共83页主要目的主要目的l l掌握用数值方法求解传热问题的整体步骤掌握用数值方法求解传热问题的整体步骤掌握用数值方法求解传热问题的整体步骤掌握用数值方法求解传热问题的整体步骤l l数值
2、方法的计算机实现数值方法的计算机实现数值方法的计算机实现数值方法的计算机实现l l边界条件的处理边界条件的处理边界条件的处理边界条件的处理第3页,本讲稿共83页阅读与作业阅读与作业l阅读要求:陶文铨数值传热学第4章l作业:P124 题41;P125 题47l完成课外作业第一题和第二题第4页,本讲稿共83页4.1 一维稳态导热问题的数值解一维稳态导热问题的数值解l l控制方程:控制方程:控制方程:控制方程:l l其中,其中,其中,其中,A A(x x)是面积函数。定义如下:是面积函数。定义如下:是面积函数。定义如下:是面积函数。定义如下:l l直角坐标系:直角坐标系:直角坐标系:直角坐标系:A
3、A(x x)1 1(无限大平板导热问题)(无限大平板导热问题)(无限大平板导热问题)(无限大平板导热问题)l l柱坐标系:柱坐标系:柱坐标系:柱坐标系:A A(x x)x x(极坐标系中的一维问题,无限(极坐标系中的一维问题,无限(极坐标系中的一维问题,无限(极坐标系中的一维问题,无限长圆筒壁导热问题)长圆筒壁导热问题)长圆筒壁导热问题)长圆筒壁导热问题)l l球坐标系:球坐标系:球坐标系:球坐标系:A A(x x)x x2 2 (通过球壁的导热)(通过球壁的导热)(通过球壁的导热)(通过球壁的导热)l l变截面肋片:变截面肋片:变截面肋片:变截面肋片:A A(x x)第5页,本讲稿共83页4
4、.1 一维稳态导热问题的数值解一维稳态导热问题的数值解l l4.1.14.1.1求解区域的离散化求解区域的离散化求解区域的离散化求解区域的离散化x(x)+e(x)-w(x)-e(x)+w(x)w(x)eweWPE图图 1 1 一维问题空间区域的离散化第6页,本讲稿共83页4.1 一维稳态导热问题的数值解一维稳态导热问题的数值解l l4.1.2 4.1.2 源项的线性化源项的线性化源项的线性化源项的线性化在通常情况下,SS(T)线性化:SScSpT (2)其中,按负斜率源项原则,SpSp(T*)0 (3)第7页,本讲稿共83页4.1 一维稳态导热问题的数值解一维稳态导热问题的数值解l l4.1.
5、3 4.1.3 控制方程的离散化控制方程的离散化控制方程的离散化控制方程的离散化将方程(1)两边通乘A(x),并对x从w到e积分:x(x)+e(x)-w(x)-e(x)+w(x)w(x)eweWPE图图 1 1 一维问题空间区域的离散化第8页,本讲稿共83页4.1 一维稳态导热问题的数值解一维稳态导热问题的数值解x(x)+e(x)-w(x)-e(x)+w(x)w(x)eweWPE图图 1 1 一维问题空间区域的离散化第9页,本讲稿共83页4.1 一维稳态导热问题的数值解一维稳态导热问题的数值解l l在上面的积分过程中,我们假定:在上面的积分过程中,我们假定:在上面的积分过程中,我们假定:在上面
6、的积分过程中,我们假定:待求变量T在控制容积P上为常数整个控制容积的A(x)为常数,且等于P点的值。第10页,本讲稿共83页4.1 一维稳态导热问题的数值解一维稳态导热问题的数值解l将(5)和(6)代入方程(4),l整理后得到,l其中,第11页,本讲稿共83页4.1 一维稳态导热问题的数值解一维稳态导热问题的数值解l其中,l下标:大写字母表示在节点处取值,小写字母表示在相应的控制面处取值第12页,本讲稿共83页4.1 一维稳态导热问题的数值解一维稳态导热问题的数值解l l可能的改进方案可能的改进方案可能的改进方案可能的改进方案:对源项积分时采用线性分布第13页,本讲稿共83页4.1 一维稳态导
7、热问题的数值解一维稳态导热问题的数值解l l4.1.44.1.4交界面参数的计算交界面参数的计算交界面参数的计算交界面参数的计算 线性插值法(算术平均)线性插值法(算术平均)线性插值法(算术平均)线性插值法(算术平均)调和平均法调和平均法调和平均法调和平均法 待求变量插值待求变量插值待求变量插值待求变量插值 KirchhoffKirchhoff变换法变换法变换法变换法第14页,本讲稿共83页4.1 一维稳态导热问题的数值解一维稳态导热问题的数值解l l4.1.5 4.1.5 跃变界面的处理跃变界面的处理跃变界面的处理跃变界面的处理 把跃变界面作为控制面把跃变界面作为控制面把跃变界面作为控制面把
8、跃变界面作为控制面l l调和平均法调和平均法调和平均法调和平均法 把跃变界面作为节点把跃变界面作为节点把跃变界面作为节点把跃变界面作为节点l l算术平均法算术平均法算术平均法算术平均法l lKirchhoffKirchhoff变换法变换法变换法变换法l l待求变量插值法待求变量插值法待求变量插值法待求变量插值法 把跃变界面放置在其它位置把跃变界面放置在其它位置把跃变界面放置在其它位置把跃变界面放置在其它位置l l所有方法都适用所有方法都适用所有方法都适用所有方法都适用 把跃变界面作为边界把跃变界面作为边界把跃变界面作为边界把跃变界面作为边界第15页,本讲稿共83页4.1 一维稳态导热问题的数值
9、解一维稳态导热问题的数值解l把跃变界面作为边界把跃变界面作为边界可以考虑接触热阻rc(Wm2)/K满足流的唯一性原则,第16页,本讲稿共83页4.1 一维稳态导热问题的数值解一维稳态导热问题的数值解l l4.1.6 4.1.6 边界条件的处理边界条件的处理边界条件的处理边界条件的处理直角坐标左边界,第二类边界条件qBx=0注意:qB的正方向与x轴的正方向一致!第17页,本讲稿共83页ee边界条件的处理边界条件的处理 网格是用外节点法划分的网格是用外节点法划分的网格是用外节点法划分的网格是用外节点法划分的l边界上出现半个控制容积qBx=0123(x)1(x)2l边界节点的差分方程可以用下述方法推
10、出:l l一阶精度的一阶精度的一阶精度的一阶精度的TaylorTaylor级数展开法级数展开法级数展开法级数展开法第18页,本讲稿共83页边界条件的处理边界条件的处理l整理后得到:l特点:l l最简单的处理方法最简单的处理方法最简单的处理方法最简单的处理方法l只有一阶精度一阶精度一阶精度一阶精度l l与控制方程的精度不匹配与控制方程的精度不匹配与控制方程的精度不匹配与控制方程的精度不匹配第19页,本讲稿共83页边界条件的处理边界条件的处理 元体能量平衡法:元体能量平衡法:元体能量平衡法:元体能量平衡法:l在研究边界节点所代表的控制容积(元体)的能量平衡流入CV的能量内热源发出的热量流出CV的能
11、量123eeqBx=0(x)1(x)21(x)1Sq1流入CV的能量通过边界流入的热量qB通过控制面流入的热量q1内热源发出的热量(x)1S流出CV的能量0第20页,本讲稿共83页边界条件的处理边界条件的处理l代入能量守恒关系,l整理后得到,l特点l灵活,便于处理各种复杂的边界条件l二阶精度,与内部节点精度等级匹配(请证明!请证明!请证明!请证明!)l推导过程较繁第21页,本讲稿共83页边界条件的处理边界条件的处理l l控制方程法控制方程法控制方程法控制方程法在直角坐标的条件下,方程(1)变为,123eeqBx=0(x)1(x)21假定在节点12之间的导热系数为常数,且恒等于e,则有,对于点e
12、,第22页,本讲稿共83页边界条件的处理边界条件的处理另一方面,参照附图,123eeqBx=0(x)1(x)21第23页,本讲稿共83页边界条件的处理边界条件的处理l所以,l将之代入式(8)第24页,本讲稿共83页边界条件的处理边界条件的处理l l整理后得到,整理后得到,整理后得到,整理后得到,l l特点特点特点特点l二阶精度l不具有一般性l推导繁琐第25页,本讲稿共83页边界条件的处理边界条件的处理l l二阶精度的二阶精度的二阶精度的二阶精度的TaylorTaylor级数展开法级数展开法级数展开法级数展开法123eeqBx=0(x)1(x)21 按二阶精度的差商公式第26页,本讲稿共83页边
13、界条件的处理边界条件的处理l代入式(16),整理后得到,l代入方程(8),l整理后得到,第27页,本讲稿共83页边界条件的处理边界条件的处理l l二阶精度二阶精度二阶精度二阶精度l l具有一般性具有一般性具有一般性具有一般性l l增加计算工作量增加计算工作量增加计算工作量增加计算工作量l l一般很少采用一般很少采用一般很少采用一般很少采用第28页,本讲稿共83页边界条件的处理边界条件的处理l l求解区域是用内节点法离散化的求解区域是用内节点法离散化的求解区域是用内节点法离散化的求解区域是用内节点法离散化的qBx=0(x)2(x)3123(x)1(x)2v边界节点的控制容积或它所代表的求解区域?
14、v边界节点的控制容积0v于是,按元体能量平衡法或其它二阶精度的方法,令与源项对应的项等于0,得到,第29页,本讲稿共83页边界条件的处理边界条件的处理l l说明:说明:说明:说明:尽管它与一阶Taylor级数展开法的结果形式上相同,但它却是二阶精度的!请大家证明这一结论。l采用内节点法内节点法内节点法内节点法划分网格时,即使在均匀网络的前提下,第1个近边界节点近边界节点近边界节点近边界节点也不是等步长不是等步长不是等步长不是等步长的。qBx=0(x)2(x)3123(x)1(x)2l从图中可以清楚地看出这一点l即使 (x)2=(x)3 (x)1也不等于也不等于也不等于也不等于(x)2l所以要对
15、第一个内部节点给予特别注意。第30页,本讲稿共83页边界条件的处理边界条件的处理l例如,对于直角坐标系,对于节点2,qBx=0(x)2(x)3123(x)1(x)2注意:CV 2 CV 2 的左控制面的左控制面的左控制面的左控制面w w与节与节与节与节点点点点WW(节点(节点(节点(节点1 1)重合,即)重合,即)重合,即)重合,即与左边界重合!与左边界重合!与左边界重合!与左边界重合!控制面控制面控制面控制面e e!第31页,本讲稿共83页边界条件的处理边界条件的处理l或写成,第32页,本讲稿共83页边界条件的处理边界条件的处理l附加源项法(Additional source term me
16、thod)以内节点法为例由方程(19)解出边界节点上的待求变量T1,代入与第1个近边界节点的差分方程(21),第33页,本讲稿共83页边界条件的处理边界条件的处理l代入与第1个近边界节点的差分方程(21),l整理后得到,第34页,本讲稿共83页边界条件的处理边界条件的处理l整理后得到,l或者写成,l其中,第35页,本讲稿共83页边界条件的处理边界条件的处理l其中Additional source term!第36页,本讲稿共83页边界条件的处理边界条件的处理l对于第第第第3 3类边界条件类边界条件类边界条件类边界条件,也可以做类似的处理,但是这时,l请大家证明,第37页,本讲稿共83页边界条件
17、的处理边界条件的处理l l附加源项法的实质附加源项法的实质附加源项法的实质附加源项法的实质边界节点消去法不仅能用于内节点网格,也能用于外节点网格l l实施方法:实施方法:实施方法:实施方法:计算附加源项:Sc,ad,Sp,ad把附加源项计入该控制容积中的源项中令与边界节点对应的系数(aW)等于0第38页,本讲稿共83页特别提示特别提示l l边界条件的处理边界条件的处理边界条件的处理边界条件的处理是传热问题数值计算最重要的环节最重要的环节最重要的环节最重要的环节之一l l元体能量平衡法元体能量平衡法元体能量平衡法元体能量平衡法的基础地位l尽可能采用外节点法外节点法外节点法外节点法划分网格l l边
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- 计算 传热学 扩散 方程 数值 优秀 课件
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