数值传热学第四章2
《传热学》第四章 导热数值解法基础
边界
2.第二类边界条件：
Байду номын сангаас
Δx＝Δy时简化为：
绝热边界：
3.第三类边界条件：
Δx＝Δy时简化为：
其他情况的节点方程 ——见教材表4－1
外拐角与内拐角节点
对流边界内部拐角节点热平衡：
节点方程式推导实例 ——对流边界外部拐角节点
Δx＝Δy时简化为：
数值导热离散方程组＝内节点离散方程＋边界节点离散方程
二、常用计算软件
1.MATLAB——矩阵计算软件
matlab软件主界面
2.FLUENT——流体流动通用数值计算软件
3. FLUENT AIRPAK ——人工环境系统分析软件，暖通空调专业和传热学领域必备软件
AIRPAK模拟温度场
第四章重点： 1.有限差分方程的建立 2.高斯－赛德尔迭代方法
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《传热学》
第四章 导热数值解法基础
本章研究的目的 ——利用计算机求解难以用 分析解求解的导热问题 基本思想 ——把原来在时间、空间坐 标系中连续的物理量的场， 用有限个离散点的值的集合 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。 研究手段——有限差分法
数值导热离散方程组内节点离散方程边界节点离散方程三节点离散方程组的求解迭代法迭代法的原理离散方程组的求解方法消元法方程过多时计算机内存不足迭代法假定初值根据假定的初值求新值并重复此步骤若干次两次计算值足够接近认为达到真实值简单迭代法每次迭代时使用上次迭代的结果允许误差简单迭代法的缺点由于每次迭代中使用与真实值偏差较大的上次迭代的旧值使运算过程接近真实值的时间增加高斯赛德尔迭代法将本次迭代的最新结果立刻代入本次迭代过程计算其他未知值高斯赛德尔迭代法的优点由于每次迭代中使用与真实值偏差较小的本次迭代的新值使运算过程接近真实值的时间缩短第三节非稳态导热的数值计算一显式差分格式研究对象一维非稳态导热问题一维非稳态导热内节点差分方程
东南大学传热学课件第四章导热问题数值解法2
显式差分格式稳定性分析
由内部节点差分方程可见，在节点n上，i+1时刻 的温度是在该点i 时刻温度的基础上考虑了左右相 邻两点温度的影响后得出的。现在，假设相邻两 点的温度不变，那么合理的情况是:i时刻节点n的 温度越高，则其相继时刻（i+1时刻）的温度也越 高；反之，i时刻节点n的温度越低，则其相继时 刻的温度也越低。所以，在差分方程中要满足这 i 1 i t 种合理性的条件，则差分方程中 n 与 tn 前面的系 i 1 数必须保持同方向变化。由于 tn 的系数大于零， i 因此 tn 前面的系数也必须大于零 。
h, t f
h, t f
2
x
控制方程
解：由于问题的对称性，只要研究一半即可，此时，该问 题的控制方程为
t 2t a 2 0 x , 0 x t x,0 t0 0 x t x, 0 x x 0 t x, h t x , t x x
ydy
m,n+1
m+1,n
y y x x
左侧面导入元体的热量 右侧面导入元体的热量
i i tm t 1, n m,n
i i tm t 1, n m,n
m-1,n
m,n
x
m,n-1
区域离散化
• 将所研究平板的一半N等分， 共有N+1个节点，其中节 点1在平板中心截面上，节 点N在平板右侧面上，如图 所示 • 两个节点之间的距离为 x • 节点-1与节点2换热情况对 称，固有相同的温度 • 时间步长取
-1
n=1 2
3
N-1
N
数值传热学第4章作业
习题4－2图4-22 习题4-2插图[解]一维稳态导热问题的控制方程为：0=+⎪⎭⎫ ⎝⎛S dx dT dx d λ 4-2-1 该问题的边界条件为：()⎪⎩⎪⎨⎧=-=-==2,0,1001x T T h dx dT x T f λ 4-2-2分别对节点2，3进行离散，将已知数据代入离散格式中，得到方程组：130232=-T T 4-2-375432=+-T T 4-2-4 联立式（4-2-3）、式（4-2-4），可以解出2T ，3T ： 852=T ，403=T 。
下面验证总体守恒性：4-2-5右端3放出的热量为：()()30020401533=-⨯=-=f T T h Q 4-2-6在总体容积内部产生的热量为：2.0150 2.0300S Q S x =⨯∆=⨯=还需要证明左端是绝热条件： 节点2的热平衡为：21851000.550.5150757501T T xS x λ--+∆=+⨯=-+=∆ 左端绝热，所以计算结果符合总体能量守恒。
习题 4-5[解] 根据习题4-2的分析，可以得到节点2的离散方程：130232+=T T 4-5-1对于节点3，应用边界条件：()()1324330.510f f T T S T T T T xλδ--+⨯=-- 4-5-2式（4-5-2）可以整理成：()5432355751020T T T =+-- 4-5-3采用局部线性化方法，可以得到：()()()()515***444333331020102012.520T T T T T -=-+-- 4-5-4节点3的离散方程表示成：()()()51**44323335575 2.52012.52020T T T T T =++---- 4-5-5迭代求解得出：2382.82;35.64T T == 检验热平衡：内热源生成热1300φ=； 右端散热5/4210(35.6420)311.0h T φ=∆=-=左端散热382.821000.5150510.91φ-=⨯+⨯=-所以123()30031110.90φφφ-+=-+≅不作热平衡扣0.5 分。
数值传热学陶文铨第四章作业
4-1解：采用区域离散方法A 时；网格划分如右图。
内点采用中心差分123278.87769.9T T T === 22d T T=0dx - 有 i+1i 122+T 0i i T T T x ---=∆ 将2点,3点带入321222+T 0T T T x --=∆ 即321209T T -+= 432322+T 0T T T x --=∆4321322+T 0T T T x --=∆ 即4321209T T T -+-= 边界点4（1）一阶截差 由x=1 1dT dx =，得 4313T T -= （2）二阶截差 11B M M q x x x T T S δδλλ-=++V 所以 434111. 1.36311T T T =++ 即 43122293T T -=采用区域离散方法B 22d T T=0dx - 由控制容积法 0w e dT dT T x dT dT ⎛⎫⎛⎫--∆= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 所以代入2点4点有322121011336T T T T T ----= 即 239028T T -= 544431011363T T T T T ----= 即 34599 02828T T T -+=对3点采用中心差分有 432322+T 013T T T --=⎛⎫ ⎪⎝⎭ 即 2349901919T T T -+= 对于点5 由x=1 1dT dx =，得 5416T T -= （1）精确解求左端点的热流密度由 ()21x x e T e e e -=-+ 所以有 ()220020.64806911x x x x dTe e q e e dx e e λ-====-+=-=++ （2）由A 的一阶截差公式（3）由B 的一阶截差公式（4）由区域离散方法B 中的一阶截差公式：通过对上述计算结果进行比较可得：区域离散B 有控制容积平衡法建立的离散方程与区域离散方程A 中具有二阶精度的格式精确度相当！ 4-3解：将平板沿厚度方向3等分，如图由题可知该导热过程可看作无限大平板的一维稳态有源导热问题，则控制方程为x=0， T 0=75℃x=0.1 dT =h(T-T )dx f λ-1点 ，2点采用中心差分有21022+T 0T T S xλ-+=∆ （1） 32122+T 0T T S x λ-+=∆ （2） 右端点采用一阶截差的离散231f hx T T T x h λλ⎡⎤+⎢⎥⎣⎦=⎛⎫+ ⎪⎝⎭V （3） 右端点采用二阶截差的离散代入（1）（2）（3）得1223132280.62 5.67625T T T T T T T -=--=-= 解得123278.87769.9T T T ===代入（4）得解得 12380.6380.6675.1T T T ===精确解 22d T +S=0dxλ （4） x=0， T 0=75℃ （5） x=0.1 dT =h(T-T )dxf λ- （6）代入数据积分的将 x 1=10.13⨯，x 2=20.13⨯, x 3=0.1T 1=80.56 T 2=80.56 T 3=75.1通过比较可得右端点采用二阶截差的离散更接近真实值。
传热学—第4章 热传导问题的数值解法
⎧a11t1 + a12 t2 + a13t3 = b1 ⎪ ⎨a21t1 + a22 t2 + a23t3 = b2 ⎪a t + a t + a t = b 33 3 3 ⎩ 31 1 32 2
假定初场
⎧ (1) ⎪t1 = ⎪ ⎪ Jacobi ⎨t(1) = 2 ⎪ ⎪ (1) ⎪t3 = ⎩
4.1.1 4 1 1 基本思想 把原来在时间、空间坐标系中连续的物理量的场， 用有限个离散点上的值的集合来代替，通过求解按 定方 建 起来 关 值 代数方程 来获 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。 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。
4.1.1 基本思想
λ Δy
Δx = Δy 时： tm −1,n
+ tm+1,n + tm,n+1 + tm,n−1 − 4tm,n = 0
tm ,n
1 = ( tm−1,n + tm+1,n + tm,n+1 + tm ,n−1 ) 4
与Taylor级数法相比，热平衡法物理意义明显。
4.3.1 边界节点离散方程的建立
4-2 内部节点离散方程的建立
4.2.1 4 2 1 Taylor级数展开法
4-2 内部节点离散方程的建立 内部节点离散方程的建
∂ 2t ∂x 2
=
m ,n
tm+1 n − 2tm ,n + tm −1 n 1, 1, Δx 2
控制方程
∂ 2t ∂ 2t + =0 ∂x 2 ∂y 2
∂ 2t ∂y 2
传热学第四章2
y x
传热学 Heat Transfer
3.内角点 3.内角点
tm −1,n − tm ,n ∆ y t ∆x m +1, n − t m , n λ∆ y +λ + qw ∆x ∆x 2 2
(m,n+1)
tm,n +1 − tm, n ∆ x t ∆y m , n −1 − t m , n +λ∆ x +λ + qw ∆y ∆y 2 2
2
+
tm,n+1 −2tm,n +tm,n−1 ∆y
2
y
=0 W
h,tf 0
h,tf
均匀网格 ∆x = ∆y
q=0 q=0 H x
tm +1,n + tm −1,n + tm ,n +1 + tm ,n −1 − 4tm,n = 0
tm , n
1 = ( tm +1,n + tm −1,n + tm ,n +1 + tm ,n −1 ) 4
∆y
m, n-1
说明： 说明：
∆x
x方向步长 方向步长
x
1、每一个节点可以看成是以它为中心的一个区域的代表 、 2、每一个节点的温度代表它所在微元体的温度 、 3、网格划分越细，节点就越多，不连续的节点温度的集 、网格划分越细，节点就越多， 就越逼近分析解的结果 4、非稳态导热问题，还要把时间分割成许多时间间隔 ∆τ 、非稳态导热问题，
t m +1, n − 2 t m , n + t m −1, n ∆x
2
+
t m , n + 1 − 2 t m , n + t m , n −1 ∆y
(完整版)数值传热学陶文铨主编第二版习题答案
数值传热学4-9章习题答案习题4－2一维稳态导热问题的控制方程：022=+∂∂S xTλ依据本题给定条件，对节点2节点3采用第三类边界条件具有二阶精度的差分格式，最后得到各节点的离散方程：节点1：1001=T 节点2：1505105321-=+-T T T 节点3：75432=+-T T 求解结果：，852=T 403=T 对整个控制容积作能量平衡，有：2150)4020(15)(3=⨯+-⨯=∆+-=∆+x S T T h x S q f f B 即：计算区域总体守恒要求满足习题4－5在4－2习题中，如果，则各节点离散方程如下：25.03)(10f T T h -⨯=节点1：1001=T 节点2：1505105321-=+-T T T 节点3：25.03325.032)20(4015])20(21[-⨯+=-⨯++-T T T T 对于节点3中的相关项作局部线性化处理，然后迭代计算；求解结果：，（迭代精度为10-4）818.822=T 635.353=T 迭代计算的Matlab 程序如下：x=30;x1=20;while abs(x1-x)>0.0001a=[1 0 0;5 -10 5;0 -1 1+2*(x-20)^(0.25)]; b=[100;-150; 15+40*(x-20)^(0.25)]; t=a^(-1)*b;x1=x;x=t(3,1);endtcal=t习题4-12的Matlab程序%代数方程形式A i T i=C i T i+1+B i T i-1+D imdim=10;%计算的节点数x=linspace(1,3,mdim);%生成A、C、B、T数据的基数；A=cos(x);%TDMA的主对角元素B=sin(x);%TDMA的下对角线元素C=cos(x)+exp(x); %TDMA的上对角线元素T=exp(x).*cos(x); %温度数据%由A、B、C构成TDMAcoematrix=eye(mdim,mdim);for n=1:mdimcoematrix(n,n)=A(1,n);if n>=2coematrix(n,n-1)=-1*B(1,n);endif n<mdimcoematrix(n,n+1)=-1*C(1,n);endend%计算D矢量D=(coematrix*T')';%由已知的A、B、C、D用TDMA方法求解T%消元P(1,1)=C(1,1)/A(1,1);Q(1,1)=D(1,1)/A(1,1);for n=2:mdimP(1,n)=C(1,n)/(A(1,n)-B(1,n)*P(1,n-1));Q(1,n)=(D(1,n)+B(1,n)*Q(1,n-1))/(A(1,n)-B(1,n)*P(1,n-1)); end%回迭Tcal(1,mdim)=Q(1,mdim);for n=(mdim-1):-1:1Tcal(1,n)=P(1,n)*Tcal(1,n+1)+Q(1,n);endTcom=[T;Tcal];%绘图比较给定T值和计算T值plot(Tcal,'r*')hold onplot(T)n gin th a r e 结果比较如下，由比较可知两者值非常切合（在小数点后8位之后才有区别）：习题4-14充分发展区的温度控制方程如下：)(1rTr r r x T uc p ∂∂∂∂=∂∂λρ对于三种无量纲定义、、进行分析如下w b w T T T T --=Θ∞∞--=ΘT T T T w ww T T T T --=Θ∞1）由得：wb wT T T T --=Θww b T T T T +Θ-=)(由可得：T x T x T x T T T x T w b w w b ∂∂Θ-+∂∂Θ=∂+Θ-∂=∂∂)1(])[(rT r T T r T T T r T w w b w w b ∂∂Θ-+∂Θ∂-=∂+Θ-∂=∂∂)1()(])[(由与无关、与无关以及、的表达式可知，除了均匀的情况外，该无量b T r Θx x T ∂∂rT∂∂w T 纲温度定义在一般情况下是不能用分离变量法的；2）由得：∞∞--=ΘT T T T w ∞∞+Θ-=T T T T w )(由可得：T xT x T T T x T w w ∂∂Θ=∂+Θ-∂=∂∂∞∞])[(rT r T T r T T T r T w w w ∂∂Θ+∂Θ∂-=∂+Θ-∂=∂∂∞∞∞)(])[(由与无关、与无关以及、的表达式可知，在常见的四种边界条件中除了b T r Θx x T ∂∂rT ∂∂轴向及周向均匀热流的情况外，有，则该无量纲温度定义是可以用分const q w =0=∂∂rT w离变量法的；3）由得：wwT T T T --=Θ∞ww T T T T +Θ-=∞)(由可得：T xT x T T T x T w w w ∂∂Θ-=∂+Θ-∂=∂∂∞)1(])[(r T T r T T T r T w w w -+∂Θ∂-=∂+Θ-∂=∂∂∞∞1()(])[(同2）分析可知，除了轴向及周向均匀热流const q w =温度定义是可以用分离变量法的；习题4－181）采用柱坐标分析，写出统一的稳态柱坐标形式动量方程：S r r r r r r x x w r v r r r u x +∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂=∂∂+∂∂+∂∂(1)(1)()(1)(1)(θφλθφλφλφρθφρφρ、和分别是圆柱坐标的3个坐标轴，、和分别是其对应的速度分量，其中x r θu v w 是管内的流动方向；x 对于管内的层流充分发展有：、，；0=v 0=w 0=∂∂xu并且方向的源项：x x pS ∂∂-=方向的源项：r r pS ∂∂-=方向的源项：θθ∂∂-=pr S 1由以上分析可得到圆柱坐标下的动量方程：方向：x 0)(1)(1=∂∂-∂∂∂∂+∂∂∂∂x pu r r r u r r r θλθλ方向：r 0=∂∂r p 方向：θ0=∂∂θp 边界条件：，R r =0=u ，；对称线上，0=r 0=∂∂r u 0=∂∂θu 不考虑液体的轴向导热，并简化分析可以得到充分发展的能量方程为：)(1(1θλθλρ∂∂∂∂+∂∂∂∂=∂∂Tr r r T r r r x T uc p 边界条件：，；，R r =w q r T =∂∂λ0=r 0=∂∂rT，πθ/0=0=∂∂-θλT2）定义无量纲流速：dxdp R uU 2-=λ并定义无量纲半径：；将无量纲流速和无量纲半径代入方向的动量方程得：R r /=ηx 0))1((1)1((122=∂∂-∂-∂∂∂+∂-∂∂∂xp U dx dp R R R R U dx dp R RR R θληλθηηλληηη上式化简得：011(1(1=+∂∂∂∂+∂∂∂∂θηθηηηηηU U 边界条件：，1=η0=U ，；对称线上，0=η0=∂∂ηU 0=∂∂θU定义无量纲温度：λ/0R q T T b-=Θ其中，是折算到管壁表面上的平均热流密度，即：；0q Rq q wπ=0由无量纲温度定义可得：bT Rq T +Θ=λ0将表达式和无量纲半径代入能量方程得：T η(1)(100θληλθηηλληηηρ∂Θ∂∂∂+∂Θ∂∂∂=∂∂R q R R R R q R R R x T uc b p 化简得：（1）)1(1)(10θηθηηηηηρ∂Θ∂∂∂+∂Θ∂∂∂=∂∂x T u c q R b p 由热平衡条件关系可以得：mm m b m p b p p RU U q R u u R q A u u dx dT A u c x T u c x T uc 020221221)(===∂∂=∂∂ππρρρ将上式代入式（1）可得：)1(1)(12θηθηηηηη∂Θ∂∂∂+∂Θ∂∂∂=m U U 边界条件：，；，0=η0=∂Θ∂η1=ηR q q w πη10==∂Θ∂，；，0=θ0=∂Θ∂θπθ=0=∂Θ∂θ单值条件：由定义可知： 且： 0/0=-=ΘλR q T T b b b ⎰⎰Θ=ΘAAb UdAUdA 即得单值性条件：=Θ⎰⎰AA UdAUdA 3）由阻力系数及定义有：f Re 228)(21/Re ⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=D D U D u u dx dp D f e m e m me νρ且：m W b m W b m W R q T T D T T q Nu ,0,,0~2)/(2Θ=-=-=λλ5－21．一维稳态无源项的对流－扩散方程如下所示： （取常物性）xx u 22∂∂Γ=∂∂φφρ边界条件如下：LL x x φφφφ====,;,00上述方程的精确解如下： 11)/(00--=--⋅Pe L x Pe L e e φφφφΓ=/uL Pe ρ2．将分成20等份，所以有：L ∆=P Pe 20 1 2 3 4 5 6……………………… 17 18 19 20 21对于中心差分、一阶迎风、混合格式和QUICK 格式分别分析如下：1）中心差分中间节点： 2)5.01()5.01(11-∆+∆++-=i i i P P φφφ20,2 =i 2）一阶迎风中间节点： ∆-∆++++=P P i i i 2)1(11φφφ20,2 =i 3）混合格式当时，中间节点： 1=∆P 2)5.01()5.01(11-∆+∆++-=i i i P P φφφ 20,2 =i 当时，中间节点： 10,5=∆P 1-=i i φφ20,2 =i 4）QUICK 格式*12111)35(8122121⎥⎦⎤⎢⎣⎡---++++++=+--∆∆-∆∆+∆i i i i i i i P P P P P φφφφφφφ2≠i*1111)336(8122121⎥⎦⎤⎢⎣⎡--++++++=+-∆∆-∆∆+∆i i i i i i P P P P P φφφφφφ2=i 数值计算结果与精确解的计算程序如下：%except for HS, any other scheme doesnt take Pe<0 into consideration %expression of exact solutiony=dsolve('a*b*Dy=c*D2y','y(0)=y0,y(L)=yL','x')y=subs(y,'L*a*b/c','t')y=simple(subs(y,'a*b/c*x','t*X'));ysim=simple(sym(strcat('(',char(y),'-y0)','/(yL-y0)')))y=sym(strcat('(',char(ysim),')*(yL-y0)','+y0'))% in the case of Pe=0y1=dsolve('D2y=0','y(0)=y0,y(L)=yL','x')y1=subs(y1,'-(y0-yL)/L*x','(-y0+yL)*X')%grid Pe number tt=[1 5 10];%dimensionless length m=20;%mdim is the number of inner node mdim=m-1;X=linspace(0,1,m+1);%initial value of variable during calculation y0=1;yL=2;%cal exact solution for n=1:size(tt,2) t=m*tt(1,n); if t==0 yval1(n,:)=eval(y1); else yval1(n,:)=eval(y); end end%extra treatment because max number in MATLAB is 10^308if max(isnan(yval1(:))) yval1=yval1'; yval1=yval1(:);indexf=find(isnan(yval1)); for n=1:size(indexf,1) if rem(indexf(n,1),size(X,2))==0 yval1(indexf(n),1)=yL; else yval1(indexf(n),1)=y0; endendyval1=reshape(yval1,size(X,2),size(yval1,1)/size(X,2));yval1=yval1';end%CD solutiond=zeros(size(tt,2),mdim);a=repmat([1],size(tt,2),mdim);for n=1:size(tt,2)t=tt(1,n);b(n,:)=repmat([0.5*(1-0.5*t)],1,mdim);c(n,:)=repmat([0.5*(1+0.5*t)],1,mdim);d(n,1)=0.5*(1+0.5*tt(1,n))*y0;d(n,mdim)=0.5*(1-0.5*tt(1,n))*yL;endc(:,1)=0;b(:,mdim)=0;%numerical cal by using TDMA subfuctionyval2=TDMA(a,b,c,d,mdim);yval2=[repmat([1],size(tt,2),1),yval2,repmat([2],size(tt,2),1)]; Fig(1,X,yval1,yval2,tt);title('CD Vs. Exact Solution')% FUS solutiond=zeros(size(tt,2),mdim);a=repmat([1],size(tt,2),mdim);for n=1:size(tt,2)t=tt(1,n);b(n,:)=repmat([1/(2+t)],1,mdim);c(n,:)=repmat([(1+t)/(2+t)],1,mdim);d(n,1)=(1+tt(1,n))/(2+tt(1,n))*y0;d(n,mdim)=1/(2+tt(1,n))*yL;endc(:,1)=0;b(:,mdim)=0;%numerical cal by using TDMA subfuctionyval3=TDMA(a,b,c,d,mdim);yval3=[repmat([1],size(tt,2),1),yval3,repmat([2],size(tt,2),1)]; Fig(2,X,yval1,yval3,tt);title('FUS Vs. Exact Solution')% HS solutiond=zeros(size(tt,2),mdim);a=repmat([1],size(tt,2),mdim);for n=1:size(tt,2)t=tt(1,n);if t>2b(n,:)=repmat([0],1,mdim);c(n,:)=repmat([1],1,mdim);d(n,1)=y0;elseif t<-2b(n,:)=repmat([1],1,mdim);c(n,:)=repmat([0],1,mdim);d(n,mdim)=yL;elseb(n,:)=repmat([0.5*(1-0.5*t)],1,mdim);c(n,:)=repmat([0.5*(1+0.5*t)],1,mdim);d(n,1)=0.5*(1+0.5*t)*y0;d(n,mdim)=0.5*(1-0.5*t)*yL;endendc(:,1)=0;b(:,mdim)=0;% numerical cal by using TDMA subfuctionyval4=TDMA(a,b,c,d,mdim);yval4=[repmat([1],size(tt,2),1),yval4,repmat([2],size(tt,2),1)]; Fig(3,X,yval1,yval4,tt);title('HS Vs. Exact Solution')%QUICK Solutiond=zeros(size(tt,2),mdim);a=repmat([1],size(tt,2),mdim);for n=1:size(tt,2)t=tt(1,n);b(n,:)=repmat([1/(2+t)],1,mdim);c(n,:)=repmat([(1+t)/(2+t)],1,mdim);d(n,1)=(1+tt(1,n))/(2+tt(1,n))*y0;d(n,mdim)=1/(2+tt(1,n))*yL;endc(:,1)=0;b(:,mdim)=0;%numerical cal by using TDMA subfuctionyval5=zeros(size(tt,2),mdim);yval5com=yval5+1;counter=1;%iterativewhile max(max(abs(yval5-yval5com)))>10^-10if counter==1yval5com=TDMA(a,b,c,d,mdim);endfor nn=1:size(tt,2)for nnn=1:mdimif nnn==1d(nn,nnn)=((6*yval5com(nn,nnn)-3*y0-3*yval5com(nn,nnn+1))*tt(1,nn))/(8*(2+tt(1,nn)))+((1+tt(1,nn))/(2+tt(1,nn))*y0);elseif nnn==2d(nn,nnn)=((5*yval5com(nn,nnn)-3*yval5com(nn,nnn+1)-yval5com(nn,nnn-1)-y0)*tt(1,nn))/(8*(2+tt(1,nn)));elseif nnn==mdimd(nn,nnn)=((5*yval5com(nn,nnn)-3*yL-yval5com(nn,nnn-1)-yval5com(nn,nnn-2))*tt(1,nn))/(8*(2+tt(1,nn)))+(1/(2+tt(1,nn))*yL);elsed(nn,nnn)=((5*yval5com(nn,nnn)-3*yval5com(nn,nnn+1)-yval5com(nn,nnn-1)-yval5com(nn,nnn-2))*tt(1,nn))/(8*(2+tt(1,nn)));endendendyval5=TDMA(a,b,c,d,mdim);temp=yval5;yval5=yval5com;yval5com=temp;counter=counter+1;endyval5=yval5com;yval5=[repmat([1],size(tt,2),1),yval5,repmat([2],size(tt,2),1)];Fig(4,X,yval1,yval5,tt);title('QUICK Vs. Exact Solution')%-------------TDMA SubFunction------------------function y=TDMA(a,b,c,d,mdim)%form a b c d resolve yval2 by using TDMA%eliminationp(:,1)=b(:,1)./a(:,1);q(:,1)=d(:,1)./a(:,1);for n=2:mdimp(:,n)=b(:,n)./(a(:,n)-c(:,n).*p(:,n-1));q(:,n)=(d(:,n)+c(:,n).*q(:,n-1))./(a(:,n)-c(:,n).*p(:,n-1));end%iterativey(:,mdim)=q(:,mdim);for n=(mdim-1):-1:1y(:,n)=p(:,n).*y(:,n+1)+q(:,n);end%-------------ResultCom SubFunction------------------function y=ResultCom (a,b,c)for n=1:max(size(c,2))y(2*n-1,:)=a(n,:);y(2*n,:)=b(n,:);end%-------------Fig SubFunction------------------function y=Fig(n,a,b,c,d)figure(n);plot(a,b);hold onplot(a,c,'*');str='''legend(';for n=1:size(d,2)if n==size(d,2)str=strcat(str,'''''Pe=',num2str(d(1,n)),''''')''');elsestr=strcat(str,'''''Pe=',num2str(d(1,n)),''''',');endendeval(eval(str));a n d A l l t h i n g s i n t h ei r b e i n g a r e g 13精确解与数值解的对比图，其中边界条件给定，。
数值传热学第四章课件陶文铨
主讲陶文铨西安交通大学能源与动力工程学院热流中心CFD-NHT-EHT CENTER 2010年9月27日, 西安数值传热学第四章扩散方程的数值解及其应用(1)4.1 一维导热问题4.1.1一维稳态导热的通用控制方程4.1.3界面导热系数的确定方法4.1.4 一维非稳态导热控制方程的离散化4.1.2通用控制方程控制容积积分法的离散4.1.5 数学上的稳定未必导致物理上有意义的解一维稳态导热问题不同坐标系通用控制方程0 P P()0P x x Δ=i调和平均已经广泛为国内外学术界所接受。
≤1数学上的稳定未必导致物理上有意义的解无内热源一维非稳态导热，初场均匀，两表面0]T +代入下式：P（全隐格式）才能满足。
结论：数学上的稳定未必导致物理上有意义的解；推=xΔa TP P极坐标均可以表示成为：2.解决通用化的一种方案为写出适合于三种坐标系中系数的通用表达式，特引进两个辅助变量：（1）x –方向标尺因子，scaling factor ，x-方向的距离表示成为sx x δi 。
对直角、圆柱坐标规定1;sx ≡（2）y-方向引入一个名义半径，R 。
对直角坐标R ＝1，据此，东西导热距离为：sx xδi 东西导热面积为：R /y sxΔ对极坐标取;sx r =对圆柱与极坐标R ＝r三种二维正交坐标系中离散方程的统一表达式按这种方式编制程序时，只要设置一个变量MODE，4.3 源项与边界条件的处理4.3.1非常数源项的线性化处理1. 线性化方法4.3.2第二、三类边界条件使方程组封闭的处理2. 线性化方法讨论3. 线性化方法应用实例1. 补充以边界节点代数方程的方法2. 附加源项法S= P2. 线性化方法讨论（1）对与被求解变量有关的非常数源项，线性化比假定为常数更合理：用*()PS f T =来表示P 的源项比落后一个迭代步；P C P T S S S =+（2）任何复杂的函数总可以用线性函数来近似逼近；线性又是建立线性代数方程所必须的；（3）是为保证代数方程迭代求解收敛所必须；0P S ≤P P nb nb a a b φφ=+∑P nb a a ≥∑P nb P a a S V =−Δ∑代数方程迭代求解收敛的充分条件是，因为可以确保代数方程迭代求解收敛。
传热学第四章
k及k+1表示迭代次数；
t
(k) max
—第k次迭代得到的最大值
华北电力大学
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
4-3 一维非稳态导热问题的数值求解
在非稳态导热问题中，不但需要对空间区域进 行离散，还需要对时间变量进行离散，接下来以一 个一维非稳态导热问题为例，重点介绍对非稳态项 的离散方法，以及不同离散方法对计算带来的影响 等。
n
y
m
x
华北电力大学
刘彦丰
传热学 Heat Transfer 2.建立节点物理量的代数方程
每一个节点都与它周围相邻的节点存在一定的 关系，通过相应的物理定律，可建立它们之间的关 系式（属于代数方程式），此关系式又称作节点的 离散方程。
(m,n+1)
(m,n)
(m-1,n)
(m+1,n)
华北电力大学
(m,n-1)
h,tf
0 q=0 H x
华北电力大学
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
二、数学描述
华北电力大学
∂2t ∂x 2
+
∂2t ∂y 2
+
Φ& λ
=
0
x=0 x=H y=0
−
∂t ∂x
=
0
−
λ
∂t ∂x
=
h(t
−tf
)
−
∂t ∂y
=
0
y =W
−
λ
∂t ∂y
=
h(t
−tf
)
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
tm,n+1 −tm,n ∆y
(m,n+1)
传热学课件：第四章 数值解法
（2）高斯—赛德尔迭代法
①选初值；
②一次次的直接计算t1，t2，…，tn ，注意计算tn 时， tn前面的温度全部用新值代替。如知道t1后， 求t2时，用t1代替原设的初值。
例题：有一正方形截面，边界长为1m，边 界上的温度已知，求t1，t2，t3，t4。
解（1）列节点方程式
100℃
500℃
12
3 4 100℃
100℃
迭代法
n
t1
t2
t3
t4
0
300
300
200
200
1
275 268.75 168.75 159.38
2 259.38 254.69 154.69 152.35
3 252.35 251.26 151.18 150.61
4 250.61 250.31 150.31 150.15
由(a)可得：
cw 1 说明热源与管子中心不重合。
由(a)、(b)可得：
将(c)代入(b)可得：
从而只能选正号，所以有： 等温线为一圆。
2 具有偏心空腔的圆柱体
由于是稳定导热，从而流过每一等温面的热流量是 相同的
对于等温面 1
y0
h2 h1
ε
对于等温面 2
热阻： 但h1和h2是未知的
2. 间接法（迭代法）经过有限次的迭代，求出近似解， 对于计算机来说，存储量较少。
松弛法（余数调节法）
高斯—赛德尔迭代法
（1）松弛法 ①设初值； ②求R1，R2，…，Rn，找Rmax；(余数) ③如设R4为最大，改变t4，使R4 ≈0，t4=t4+R4/4： ④重新计算有关节点的余数；
⑤重复步骤③ ④ ，直到全部余数为零。
传热学 第四章 对流传热原理
h相变 >h单相
College of Energy & Power Engineering
4. 壁面的几何形状、大小和位臵
换热表面的形状／大小／换热表面与流体流动方向的 相对位置以及换热表面的状态（光滑或粗糙） 内部流动对流换热：管内或槽内 外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束
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雷诺数的物理意义
ul ul u Re u
l
2
惯性力与黏性力之比
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3. 流体有无相变
单相换热 流体的显热变化
相变换热 沸腾、凝结、升华、 凝固、融化等
要有有限差分法、有限元法、有限分析法、边界元
法等等。 各种数值方法的根本区别主要在区域离散
和方程离散处理方法的不同，其基本思想大致可描
述为：把原来在时间和空间坐标中连续的物理量场
（如速度场、温度场、浓度场等）， 用有限个离散 点上的值的集合来代替，按一定方式建立起关于这 些值的代数方程并求解之。
College of Energy & Power Engineering
1. 流动的起因或其他外 部动力源所造成
强迫对流换热
College of Energy & Power Engineering
流动的起因不同，流体中的速度场也有差 别，所以传热规律就不一样了，从而对流换热 系数也不同。 一般来说，同一种流体的强迫对流换热系
对流传热的基本公式
传热学 第4章-导热问题的数值解法
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3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：1、 相同点：根本目的是相同的，即确定① t=f(x ，y ，z)；② ),,,(τz y x g Q =。
2、 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 数值求解的基本思路及稳态导热内节点离散方程的建立一、 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。
传热-化工原理4-2.
1 Am1 21Am2 3 Am3
ln r2 r1
t1 t4 ln r3 ln r4 r2 r3
2l1 2l 2l3
2019/7/15
2019/7/15
三、通过平壁的稳定热传导
1、单层平壁的稳定热传导
Q dAdt dx
边界条件为：
x=0时，t=t1 x=b时，t=t2
Q A t1 t2
b
2019/7/15
Q t1 t2 b
t R
A
qQ A
t b
t r
R——导热热阻，K/W ；
r——单位面积的导热热阻 。
第四章 传热
第二节 热传导
一、基本概念和傅立叶定 律
二、导热系数 三、平壁的稳定热传导 四、圆筒壁的稳定热传导
2019/7/15
一、基本概念和傅立叶定律
1、温度场和等温面
温度场 物体或系统内部的各点温度分布的总和
温度场的数学表达式为 t f (x, y, z, )
稳定温度场 不稳定温度场
温度场中各点的温度不随时间而改变
dQ dA t n
2019/7/15
dQ dA t ——付立叶定律
n
λ——比例系数， 称为导热系数。w/m·k 负号表示热流方向与 温度梯度方向相反。 t / n
2019/7/15
二、导热系数
1、导热系数的定义
dQ
dA t n
在数值上等于单位温度梯度下的热通量 ， 是物质的物理性质之一 。 一般，金属的导热系数最大，非金属的固体次之，液 体的较小，气体的最小。
2019/7/15
2、固体的导热系数
纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低， 金属的导热系数大都随纯度的增加而增大。 非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数随密度增加而增 大，也随温度升高而增大。
数值传热学陶文铨第四章作业
4-1解：采用区域离散方法A 时；网格划分如右图。
内点采用中心差分123278.87769.9T T T ===22d T T=0dx - 有 i+1i 122+T 0i i T T T x ---=∆将2点,3点带入321222+T 0T T T x --=∆ 即321209T T -+= 432322+T 0T T T x --=∆4321322+T 0T T T x --=∆ 即4321209T T T -+-= 边界点4（1）一阶截差 由x=11dT dx =，得 4313T T -= （2）二阶截差 11B M M q x x xT T S δδλλ-=++V所以 434111. 1.36311T T T =++即 43122293T T -= 采用区域离散方法B22d T T=0dx - 由控制容积法 0w edT dT T x dT dT ⎛⎫⎛⎫--∆= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭所以代入2点4点有322121011336T T T T T ----= 即 239028T T -=544431011363T T T T T ----= 即3459902828T T T -+=对3点采用中心差分有432322+T 013T T T --=⎛⎫⎪⎝⎭即2349901919T T T -+= 对于点5 由x=11dT dx =，得 5416T T -= （1）精确解求左端点的热流密度 由 ()21x x eT e e e -=-+ 所以有 ()2220.64806911x xx x dT e e q e e dxe e λ-====-+=-=++ （2）由A 的一阶截差公式210.247730.743113x T T dT q dxλ=-=-==⨯= （3）由B 的一阶截差公式0.216400.649213x dTq dxλ=-=-== （4）由区域离散方法B 中的一阶截差公式： 210.108460.6504()B BT T dT dx x δ-⎛⎫==⨯=⎪⎝⎭ 通过对上述计算结果进行比较可得：区域离散B 有控制容积平衡法建立的离散方程与区域离散方程A 中具有二阶精度的格式精确度相当！ 4-3解：将平板沿厚度方向3等分，如图由题可知该导热过程可看作无限大平板的一维稳态有源导热问题，则控制方程为22d T+S=0dxλx=0， T 0=75℃ x=0.1 dT =h(T-T )dxf λ- 1点 ，2点采用中心差分有21022+T 0T T S x λ-+=∆ （1） 32122+T 0T T S x λ-+=∆ （2）右端点采用一阶截差的离散231f hx T T T x h λλ⎡⎤+⎢⎥⎣⎦=⎛⎫+ ⎪⎝⎭V （3）右端点采用二阶截差的离散232.1f x S hx T x T T x h λλλ⎡⎤⎢⎥++⎢⎥⎢⎥⎣⎦=⎛⎫+ ⎪⎝⎭V V V 代入（1）（2）（3）得1223132280.62 5.67625T T T T T T T -=--=-= 解得123278.87769.9T T T ===代入（4）得12380.6380.6675.1T T T === 3221T 18125T -=解得 12380.6380.6675.1T T T ===精确解 22d T+S=0dxλ （4）x=0， T 0=75℃ （5） x=0.1 dT =h(T-T )dxf λ- （6） 代入数据积分的2250025075T x x =-++ 将 x 1=10.13⨯，x 2=20.13⨯, x 3=0.1 T 1=80.56 T 2=80.56 T 3=75.1通过比较可得右端点采用二阶截差的离散更接近真实值。
化工原理第四章第二、三节(第14次课)
多层圆筒壁单位圆筒壁长度的热流密度公式：
Q 2 ( t n t n1 ) q1 n 1 ri 1 l ln i 1 ri i
2013-6-10
第四章 传热
第三节 对流传热
一、对流传热的分析 二、壁面和流体的对流传热 速率 三、对流传热系数的影响因 素 四、对流传热过程的特征数 关系式 五、流体无相变时的对流传 热系数 六、流体有相变时的对流传 热系数
Re
Pr
l lu cp
Gr
gtl 3 2 表示自然对流对对流传 2 热的影响
•将关联式用各特征数的符号表示：
Nu K Re Pr Gr
a b
c
3、应用特征数关联式应注意的问题
1）应用范围：关联式中Re、 Pr、 Nu、Gr等特征数的数值 范围以及常数K、指数a、b、c，一般根据
上次课内容复习
1、传热的三种基本方式： 热传导、对流传热、热辐射。 2、冷热两流体热交换的三种方式： 直接接触式换热、蓄热式换热、间壁式换热。 3、传热速率（热流量）与传热速度（热通量）的关系为：
Q q A
4、稳态传热时，同一热流方向上的传热速率Q为常数 （Q1=Q2=Q3=……Qn）。
2013-6-10
N u 0.023Re Pr
0.8
n
du 或 0.023 d
0.8
cP
n
cP——J/kg·K
当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。
2013-6-10
应用范围： e 104 ,0.7 Pr 120, 管长与管径比 l / d R
n——水平管束在垂直裂伤的管子数； d0——管外径；
数值传热学陶文铨主编第二版习题答案
0，
q w 1 0 ； 1 ， q0 R
0，
单值条件： 由定义可知：
0 ； ， 0
b
b
Tb Tb 0 q0 R /
A
且：
U d A U d A
A A
即得单值性条件：
( R 2
dp 1 dp 1 U) ( R 2 U) 1 dx ) dx ) p 0 ( R R R x
1 U 1 1 U ( ) ( ) 1 0
边界条件：
1，U 0
习题 4－5
在 4－2 习题中，如果 h 10 (T3 T f ) 节点 1： 节点 2： 节点 3：
0.25
，则各节点离散方程如下：
T1 100
5T1 10T2 5T3 150
T2 [1 2 (T3 20) 0.25 ]T3 15 40 (T3 20) 0.25
对于节点 3 中的相关项作局部线性化处理，然后迭代计算； 求解结果：
T2 82.818 ， T3 35.635 （迭代精度为 10-4）
迭代计算的 Matlab 程序如下： x=30; x1=20; while abs(x1-x)>0.0001 a=[1 0 0;5 -10 5;0 -1 1+2*(x-20)^(0.25)]; b=[100;-150; 15+40*(x-20)^(0.25)]; t=a^(-1)*b;
6
5－2
1．一维稳态无源项的对流－扩散方程如下所示：
u
边界条件如下：
2 2 x x
x L, L
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主讲
西安交通大学能源与动力工程学院热流中心CFD-NHT-EHT CENTER 2010年9月27日, 西安
数值传热学
第四章扩散方程的数值解及其应用(2)
4.4 求解代数方程的TDMA 及ADI 方法
4.4.1求解一维导热问题代数方程的三对角阵算法
4.4.2求解多维非稳态导热全隐格式的ADI 方法
1.求解方法概述
1.一维导热问题代数方程通用形式
2.Peaceman-Rachford 的ADI 迭代
2.Thomas 算法
3.第一类边界条件的处理
4.4 方法4.4.1 求解一维导热问题代数方程的三对角阵算法
Thomas算法的一般形式将上式改写为：
所谓消元就是要找出系数间的关系。
(b)乘以C
i
P=1
1;
i−−。