传热学教案4

第四章导热问题的数值解法1.重点内容：①掌握导热问题数值解法的基本思路；②利用热平衡法和泰勒级数展开法建立节点的离散方程。2.掌握内容：数值解法的实质。3.了解内容：了解非稳态导热问题的两种差分格式及其稳定性。由前述可知，求解导热问题实际上就是对导热微分方程在定解条件下的积分求解，从而获得分析解。但是，对于工程中几何形状及定解条件比较复杂的导热问题，从数学上目前无法得出其分析解。随着计算机技术的迅速发展，对物理问题进行离散求解的数值方法发展得十分迅速，并得到广泛应用，并形成为传热学的一个分支——计算传热学（数值传热学），这些数值解法主要有以下几种：（1）有限差分法；（2）有限元方法；（3）边界元方法。数值解法能解决的问题原则上是一切导热问题，特别是分析解方法无法解决的问题。如：几何形状、边界条件复杂、物性不均、多维导热问题。分析解法与数值解法的异同点：相同点：根本目的是相同的，即确定①x,y,z,τft；②x,y,z,τgQ。不同点：数值解法求解的是区域或时间空间坐标系中离散点的温度分布代替连续的温度场；分析解法求解的是连续的温度场的分布特征，而不是分散点的数值。4-1导热问题数值求解的基本思想及内节点离散方程的建立一.数值解法的基本概念1.实质：对物理问题进行数值解法的基本思路可以概括为：把原来在时间、空间坐标系中连续的物理量的场，如导热物体的温度场等，用有限个离散点上的值的集合来代替，通过求解按一定方法建立起来的关于这些值的代数方程，来获得离散点上被求物理量的值。该方法称为数值解法。这些离散点上被求物理量值的集合称为该物理量的数值解。2.基本思路：数值解法的求解过程可用框图4-1表示。由此可见：（1）物理模型简化成数学模型是基础；（2）建立节点离散方程是关键；（3）一般情况微分方程中，某一变量在某一坐标方向所需边界条件的个数等于该变量在该坐标方向最高阶导数的阶数。二.数值求解的步骤如图4-2（a），二维矩形域内无内热源、稳态、常物性的导热问题采用数值解法的步骤如下：（1）建立控制方程及定解条件控制方程：是指描写物理问题的微分方程。针对图示的导热问题，它的控制方程（即导热微分方程）为：0y2222txt（a）边界条件：0x时，0tt；Hx时，fHxtyHthxtλ，2当0y时，fytxthytλ010，当Wy时，fWytWxthytλ，3（2）区域离散化（确立节点）用一系列与坐标轴平行的网格线把求解区域划分成若干个子区域，用网格线的交点作为需要确定温度值的空间位置，称为节点(结点)，节点的位置用该节点在两个方向上的标号m，n表示。相邻两节点间的距离称步长，计为x、y。每个节点都可以看成是以它为中心的一个小区域的代表，把节点代表的小区域称为元体（又叫控制容积），如图4-2(b)。（3）建立节点物理量的代数方程（离散方程）节点上物理量的代数方程称离散方程。其过程如下：首先划分各节点的类型；其次，建立节点离散方程；最后，代数方程组的形成。对节点（m，n）的代数方程，当x＝y时，有：1,1,,1,1,41nmnmnmnmnmttttt（b）（4）设立迭代初场代数方程组的求解方法有直接解法与迭代解法，传热问题的有限差分法中主要采用迭代法。采用迭代法求解时，需对被求的温度场预先设定一个解，这个解称为初场，并在求解过程中不断改进。（5）求解代数方程组如图4-2（b），除1＝m的左边界上各节点的温度已知外，其余NM1－个节点均需建立离散方程，共有NM1－个方程，则构成一个封闭的代数方程组。求解时遇到的问题：①线性；②非线性；③收敛性等。①线性代数方程组：代数方程一经建立，其中各项系数在整个求解过程中不再变化；②非线性代数方程组：代数方程一经建立，其中各项系数在整个求解过程中不断更新。③是否收敛判断：是指用迭代法求解代数方程是否收敛，即本次迭代计算所得之解与上一次迭代计算所得之解的偏差是否小于允许值。关于变物性(物性为温度的函数)导热问题，建立的离散方程，四个邻点温度的系数不是常数，而是温度的函数。在迭代计算时，这些系数应不断更新，这是非线性问题。（6）解的分析通过求解代数方程，获得物体中的温度分布，根据温度场应进一步计算通过的热流量，热应力及热变形等。因此，对于数值分析计算所得的温度场及其它物理量应作详细分析，以获得定性或定量上的结论。三、稳态导热中位于计算区域内部的节点离散方程的建立方法1.基本概念（1）内节点：位于计算区域内部的节点，称内节点。（2）差分格式：差商中的差分可以用向前、向后、中心差分表示的格式称差分格式。2.基本方法方法：①泰勒级数展开法；②热平衡法。以下分述之。（1）泰勒级数展开法如图4-3所示，以节点（m，n）处的二阶偏导数为例，对节点（1＋m，n）及（1－m，n）分别写出函数t对（m，n）点的泰勒级数展开式：对（1＋m，n）：nmnmnmnmnmnmxtxxtxxtxxtxtt,444,333,222,,,12462（c）对（1－m，n）：nmnmnmnmnmnmxtxxtxxtxxtxtt,444,333,222,,,12462（d）（a）+（b）得：nmnmnmnmnmxtxxtxttt,444,222,,1,1122＋（e）变形为nmxt,22的表示式得：22,,1,1,2202xxtttxtnmnmnmnm＋－＋＝（f）上式是用三个离散点上的值计算二阶导数nmxt,22的严格表达式，其中：20x称截断误差，误差量级为2x，即表示未明确写出的级数余项中x的最低阶数为2。在数值计算时，用三个相邻节点上的值近似表示二阶导数的表达式即可，则相应的略去20x。于是得：2,,1,1,222xtttxtnmnmnmnm－＋＝（4-1a）同理：2,1,1,,222ytttytnmnmnmnm－＋＝（4-1b）根据导热问题的控制方程(导热微分方程)0y2222txt得：0222,1,1,2,,1,1＝－＋＋－＋ytttxtttnmnmnmnmnmnm(4-2)若x=y,则有：1,1,,1,1,41nmnmnmnmnmttttt(2)热平衡法：其本质是傅里叶导热定律和能量守恒定律的体现。对每个元体，可用傅里叶导热定律写出其能量守恒的表达式。如图4-3所示，元体在垂直纸面方向取单位长度，通过元体界面(w,e,n,s)所传导的热流量可以对有关的两个节点根据傅里叶定律写出：从节点（1－m，n）通过界面W传导到节点（m，n）的热流量为：xttynmnmw,,1－（g）同理：通过界面e,n,s传导给节点（m，n）的热流量：xttynmnme,,1－（h）yttxnmnmw,1,－（i）yttxnmnmw,1,－（j）对元体（m，n）,根据能量守恒定律可知：0snew（4-3）其中规定：导入元体（m，n）的热流量为正；导出元体（m，n）的热流量为负。将式（g）、（h）、（i）、（j）代入式（4-3），当yx时即得式(b)。说明：①上述分析与推导是在笛卡儿坐标系中进行的；②热平衡法概念清晰，过程简捷；③热平衡法与2—2建立微分方程的思路与过程一致，但不同的是前者是有限大小的元体，后者是微元体。4-2边界节点离散方程的建立及代数方程的求解对于第一类边界条件的导热问题，所有内节点的离散方程组成一个封闭的代数方程组，即可求解；第二类或第三类边界条件的导热问题，所有内节点的离散方程组成的代数方程组是不封闭的，因未知边界温度，因而应对位于该边界上的节点补充相应的代数方程，才能使方程组封闭，以便求解。一、用热平衡法导出典型边界点上的离散方程在下面的讨论中，先把第二类边界条件及第三类边界条件合并起来考虑，并以wq代表边界上已知的热流密度值或热流密度表达式，用热平衡方法导出三类典型边界节点的离散方程，然后针对wq的三种不同情况使导得的离散方程进一步具体化，为使结果更具一般性，假设物体具有内热源(不必均匀分布)。1.位于平直边界上的节点如图4-4所示有阴影线的区域，边界节点nm,只能代表半个元体，设边界上有向该元体传递的热流密度为wq，据能量守恒定律对该元体有：0222,,1,,1,,,1wnmnmnmnmnmnmnmyqyxyttxyttxxtty－－－（4-4a）若yx时，则：wnmnmnmnmnmxqxtttt2241,21,1,,1,＋＋（4-4b）2.外部角点如图4-5所示，二维墙角计算区域中，节点A～E均为外部角点，其特点是每个节点仅代表1/4个以yx、为边长的元体。假设边界上有向该元体传递的热流密度为wq，则据能量守恒定律得其热平衡式为：02422,,1,,,1wnmnmnmnmnmqyxyxyttxxtty＋－－（4-5a）若yx时，则：wnmnmnmnmxqxttt2221,21,,1,＋＋（4-5b）3.内部角点：图4-5中的F点为内部角点，代表了3/4个元体，同理得：024322,,,1,1,,1,,,1wnmnmnmnmnmnmnmnmnmqyxyxxttyyttxyttxxtty＋－＋－＋－－＋＋（4-6a）若yx时，则：wnmnmnmnmnmnmxqxttttt2232261,2,11,1,,1,＋＋＋＋＋＋（4-6b）4.讨论有关wq的三种情况：（1）若是绝热边界则0＝wq，即令上式0＝wq即可。（2）若时0wq则以给定的wq值代入上述方程，注意：流入元体，wq取正，流出元体，wq取负。（3）若属对流边界则nmfwtthq,＝，将此表达式代入式（4-4）～（4-6），并将此项中nmt,与等号前的nmt,合并。对于yx的情形，有：平直边界：fnmnmnmnmnmtxhxttttxh2222,21,1,,1,＋＋（4-7）对外角点：fnmnmnmnmtxhxtttxh2212,21,,1,＋＋（4-8）对内角点：fnmnmnmnmnmnmtxhxtttttxh2232232,2,11,1,,1,＋＋＋＋＋＋（4-9）其中无量纲数xh是以网格步长x为特征长度的毕渥数，即为Bi，是在对流边界条件的离散过程中引入的。二、代数方程的求解方法1.直接解法：通过有限次运算获得精确解的方法，如：矩阵求逆、高斯消元法等。这一方法的缺点是计算所需的计算机内存较大，当代数方程的数目较多时使用不便。2.迭代法：先对要计算的场作出假设（设定初场），在迭代计算中不断予以改进，直到计算前的假定值与计算结果相差小于允许值为止的方法，称迭代计算收敛。目前应用较多的是：（1）高斯—赛德尔迭代法：每次迭代计算，均使用节点温度的最新值。（2）用雅可比迭代法：每次迭代计算，均用上一次迭代计算出的值。设有一个三元方程组，记为：333323213123232221211313212111btatatabtatatabtatata（a）其中3,2,1;3,2,1,jiaji及3,2,1ibi是已知的系数（设均不为零）及常数。采用高斯—赛德尔迭代法的步骤：（1）将三元方程变形为迭式方程：232131333332312122223132121111111tatabattatabat