三维热传导问题温度场分布的数值分析2
三维非稳态导热问题的高效稳定数值解法
三维非稳态导热问题的高效稳定数值解法三维非稳态导热问题是工程领域中常见的问题之一，其数值解法的高效稳定性对于工程设计和优化至关重要。
本文将介绍一种基于有限元方法的高效稳定数值解法。
有限元方法是一种常用的数值解法，其基本思想是将连续的物理问题离散化为有限个小区域，然后在每个小区域内建立一个数学模型，通过求解这些小区域内的数学模型来得到整个物理问题的解。
在三维非稳态导热问题中，有限元方法可以将物体分割为许多小的体元，然后在每个体元内建立一个数学模型，通过求解这些数学模型来得到整个物体的温度分布。
在有限元方法中，最重要的是建立数学模型。
对于三维非稳态导热问题，数学模型可以表示为：$$\rho c_p \frac{\partial T}{\partial t} - \nabla \cdot (k \nabla T)= Q$$其中，$\rho$是物体的密度，$c_p$是物体的比热容，$k$是物体的导热系数，$T$是物体的温度分布，$t$是时间，$Q$是物体内部的热源。
这个方程可以通过有限元方法离散化为一个线性方程组，然后通过求解这个线性方程组来得到物体的温度分布。
然而，在实际应用中，有限元方法存在一些问题。
例如，当网格过于粗糙时，数值解的精度会降低；当时间步长过大时，数值解的稳定性会降低。
为了解决这些问题，研究人员提出了许多改进的有限元方法。
其中，一种比较成功的方法是基于时间分数阶导数的有限元方法。
这种方法可以通过引入时间分数阶导数来改进传统的有限元方法，从而提高数值解的精度和稳定性。
具体来说，这种方法可以将时间分数阶导数表示为：$$\frac{\partial^\alpha T}{\partial t^\alpha}$$其中，$\alpha$是时间分数阶，通常取值为0.5或1。
这个方程可以通过有限元方法离散化为一个非线性方程组，然后通过求解这个非线性方程组来得到物体的温度分布。
总之，基于有限元方法的高效稳定数值解法可以有效地解决三维非稳态导热问题。
三维热传导问题温度场分布的数值分析2
（1）按照圆柱体的实际几何尺寸,建立圆柱体的三维计算模型； （2）定义热分析的类型,即选择“稳态热传导”； （3）确定圆柱体的材料，设臵模型的材料属性,并将三维计算模型进行网 格划分； （4）设定模型边界条件温度，然后进行分析计算；
5. 【Multizone】：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 掠网格划分相似，但更适合于用扫掠方法不能分解的几何体
6. 【CFX-Mesh】：采用流体网格CFX划分实体
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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4个方面：几何条件、物 理条件、时间条件、边界条件。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 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）
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三维热传导问题温度场分布的数值分析
Fig. 1
图1 计算模型三维结构示意图 3-D structure sketch map of calculation model
9
三维热传导问题温度场分布的数值分析 解题步骤
1. 选择稳态热分析系统。
2. 确定材料参数：稳态传热问题，仅输入热传导系数。
3. 【DesignMdoler】建立几何模型：考虑对称性，建立 1/8 圆柱体。 4. 进入【Mechanical】分析程序。 5. 网格划分：采用系统默认网格。 6. 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。 7. 设臵需要的结果：温度分布。 8. 求解及结果显示。
等离子弧焊接熔池流场和温度场三维数值模拟
（３）合理的疏密分布：在流场参数变化率较大的区域（如焊接熔池区、液固两相区等）及几何形状变化剧烈的区域采用较密的网格：（４）正交性：物面上尽可能地保证网格线的正交性，保证边界上的计算精度；（５）单值性：物理域与计算域上点一一对应，不能有网格线相交和重叠。
由于工件上存在较大的温度梯度，尤其是靠近电弧附近，温度梯度最大，离热源越远，温度梯度越小，因此把热源附近的网格分的细一些，而在远离熟源处则采用较粗的网格，这样就可以在不增加单元和节点数量静条件下提高计算精度。
有限元方法的优点之一是能很好地适应物理域复杂的几何形状，可以生成非均匀网格。
图３·１三维模型及非均匀阐格系统示意｛耋｛ＡＮＳＹＳ中网格类型有自由网格和映射网格两种。
自由网格对于实体模型无特殊要求。
对任何几何模型，规则的或不规则的，都可以进行网格划分，并且没有特定的规则。
所用单元形状取决于对面还是对体进行网格划分，自由面网格可以只由四边形单元组成，也可以只由三角形单元组成，或由两者混合组成：自由体网格一般限图４—１（ｂ）为焊接时问为０．２ｓ时温度情况，可以看出，在焊接热源作用下，电弧下方中心处工件温度迅速升高，工件开始熔化，并出现少量液相。
图４．１（ｃ）．（ｇ）即０．２ｓ，１．２ｓ时间段，随着焊接过程的进行，热输入量增加，焊接熔池温度不断升高。
液态金属量逐渐增多，熔池沿着径向和轴向两个方向扩展。
其中径向方向的扩展更为明显。
这主要是因为焊接初期，热传导起主要作用，形成的熔池体积较小，流体流动速度较低，等离子流力和电磁力纵向的挖掘作用较弱，因此熔池主要沿着径向方向扩展，轴向也伴随有一定程度的扩张。
焊接熔池形状近似成半椭圆形，并以椭圆形为基础逐渐长大。
图４一ｌ（ｈ）一（ｎ）即１．４ｓ．２．４ｓ时问段，随着焊接时间的延长，热输入量继续增加，焊接熔池液态金属量增多，液态金属的运动也逐渐加剧，此时熔池主要沿轴向方向扩展，熔深增加，直至熔透，径向方向上熔池尺寸也有一定程度的增加。
三维热传导模型
1. 热传导模型的控制方程在移动直角坐标系内，热传导方程为(1)为了处理问题的方便，改用移动柱坐标系（r,θ,z ）。
对方程（1）作坐标变换x=rcos θ，y=rsin θ，z=z 可变为(2)整理后，可得 (3)式中α=k/(ρc p )2. 热传导模型的边界条件(1) 离光斑无穷远处，工件的温度维持室温T a 。
该边界条件的数学表述如下当r →∞（0≤θ≤2π）时，T=T a 。
(2) 设工件表面光斑大小为r b ，则工件表面被激光直接辐照的区域内（即工件表面的光斑内）的点的温度可以通过下式得出：zTkAI ∂∂-= (4)上式中，A 为工件表面对激光的吸收系数，I 为加工中用的激光光束的功率分布函数，设P 为入射到工件表面的激光功率,对高斯光束而言, 距离光斑中心r 的点的激光功率密度为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=2222exp 2b b r r r PI π (5)把(5)式代入(4),有⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=∂∂2222exp 2b b r r kr APz T π (6)3. 热传导模型的有限差分方程的建立(1) 计算区域的确定及网格划分由于有对称性（关于x 轴），我们只计算x 轴上部（即y ≥0）区域的温度分布。
网格划分及计算区域如图1所示。
(2) 有限差分方程的建立采用有限差分法对模型进行数值求解。
为此，必须首先把控制方程化为有限差分方程。
对图1所示的网格，假设r 、θ和z 方向的网格步长分别为Δr 、Δθ和Δz ，那么采用中心差分格式时，有(7) (8)ri r ∆-=)1(θθ∆-=)1(j 0222222=∂∂∂∂+∂∂∂∂xTU c z T y T x T k p ρ）＋＋（0sin cos ]11[22222=∂∂∂∂∂∂+∂∂∂∂∂∂）—（＋）＋（θθθρθT r r T U c z T T r r T r r r k p 0sin cos 12222222=∂∂∂∂∂∂+∂∂∂∂θθθαθαT r U r T U r z T T r r T —）＋）＋（＋（(9) (10) (11)(12)(13)(14)把以上各式代入方程(5.3)，得(15)整理，得 (16)以上有限差分方程适合于内部节点。
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
稳态热传导问题的数值模拟
稳态热传导问题的数值模拟热传导是热能从高温区向低温区传递的过程，在自然界和工程应用中有广泛的应用。
当材料或物体的长度，面积和体积足够大以至于其中的热量可以被视为连续分布时，稳态热传导方程可以用来描述热传导现象。
本文将讨论如何通过数值模拟来解决稳态热传导问题。
1. 稳态热传导方程首先，我们来看一下稳态热传导方程。
稳态热传导方程最常用的形式是二维热传导方程和三维热传导方程。
对于二维情况，可以表示为：$$ \frac{\partial^2 T}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 T}{\partial y^2}=0 $$对于三维情况，可以表示为：$$ \frac{\partial^2 T}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 T}{\partialy^2}+\frac{\partial^2 T}{\partial z^2}=0 $$其中，T表示温度。
2. 数值模拟方法由于稳态热传导方程在大多数情况下很难用解析方法求解，因此数值模拟方法成为了解决该问题的主要方法之一。
这里我们主要介绍两种数值模拟方法：有限差分法和有限元法。
2.1 有限差分法有限差分法是一种基于迭代计算的数值模拟方法，它将区域离散化为小的网格，并通过有限差分来逼近上述方程。
具体来说，它将偏微分方程近似为差分方程，然后用迭代方法来逼近和求解问题。
在应用有限差分法时，需要将连续的区域离散化为小的网格。
然后，用相邻两个网格点的温度差来逼近该点处的温度。
具体来说，对于二维情况，可以用以下公式来表示：$$ \frac{T(i+1,j)+T(i-1,j)+T(i,j+1)+T(i,j-1)-4T(i,j)}{h^2}=0 $$其中，h表示网格尺寸，i和j分别表示网格的横向和纵向坐标。
通过递归求解该方程，可以得到整个区域内的温度分布。
2.2 有限元法有限元法是一种更通用的数值模拟方法，可以用于解决各种类型的偏微分方程。
044_皮托管温度场的三维数值分析
2006年用户年会论文皮托管温度场的三维数值分析[丁保庚王颖周陈龙][核工业理化工程研究院，300180][ 摘要 ] 对皮托管处于高马赫数均匀氟里昂气体来流下不同头部形状、不同姿态的皮托管进行流固耦合计算，给出了固体域温度场三维数值分析结果。
计算是采用ANSYS软件的结构模块进行建模，然后应用ICEM软件进行网格的划分，采用CFX软件进行数值求解和进行数据的后处理。
[ 关键词]皮托管，温度场，三维数值分析3D numerical simulation of temperature on Pitot tube[Ding Baogeng, Wang Ying, Zhou Chenlong][Tianjin Institute of Physical & Chemical Engineering][ Abstract ] Multi-physics problem is considered for the Pitot tube located in uniform freon gas flow with high Mach number and the 3D numerical results of temperature on Pitot tube is given.Themodel is created by using structural module of ANSYS, the grids are obtained by ICEM CFD,and the problem is solved and the data post-processing is done by CFX.[ Keyword ] Pitot tube, temperature, 3D numerical simulation1前言在用皮托管测量高速气体流速时，皮托管的头部形状和姿态对其温度有很大的影响，过高的温度要影响皮托管的使用，使用测试方法测量其温度是困难的，特别是对于小型皮托管情况，所以非常有必要用数值分析的方法研究皮托管的头部姿态对其头部温度的影响。
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。
传热学 -- 导热数值分析解法
•
else T(i,1)=(qw*0.5*b+0.5*h*b*tf+0.5*a*T(i-1,1)+0.5*a*T(i,j+1))/(a+0.5*h*b);
•
end
•
end
• end
• for j=2:5
•
for i=1:4
•
c(i,j)=T(i,j);
•
if i==1
•
T(i,j)=(a*T(i,j+1)+0.5*a*T(i,j-1)+a*T(i+1,j))/(2*a);•ຫໍສະໝຸດ end•end
•
end
• end
• for i=1:4
•
for j=1:5
•
z=max(T(i,j)-c(i,j));
•
eps=z;
•
end
•
end
• end
• surf(T);
下图为本题的温度分布
节点越多，温度场划分越细。 如下图以10mm为步长划分节点
谢谢观看！
根据题意进行边界条件分析及节点划分，如 下：
6 5 4
3 2
1
2
3
4
对每个节点按热平衡法列稳态方程:
1) 若 ti,j为平壁的内部节点，则有
ti-1,j-ti,j y+ ti+1,j -ti,j y ti,j-1-ti,j x+ ti,j+1-ti,j x 0
x
x
•
else if i>1&&i<4
•
T(i,j)=(a*T(i,j+1)+a*T(i+1,j)+a*T(i-1,j)+a*T(i,j-1))/(4*a);
三维热传导方程推导过程
三维热传导方程推导过程在热传导的研究中，我们首先需要了解热传导系数k和热扩散系数D的定义及其意义。
热传导系数k描述了材料在单位时间内通过单位面积传递的热量与温度梯度之间的关系，而热扩散系数D是材料在单位时间内通过单位面积传递的热量与温度分布之间的关系。
这两个系数对于研究热传导过程至关重要。
接下来，基于能量守恒定律，我们可以建立三维情况下的能量守恒方程。
能量守恒定律指出，在封闭系统中，能量不能创造也不能消亡，只能从一种形式转化为另一种形式或从一个物体传递给另一个物体。
因此，在三维情况下，能量守恒方程可以表示为[1]：div(k*grad(T)) + Q = 0其中，T表示温度，k表示热传导系数，grad(T)表示温度的梯度，div表示散度运算，Q表示外界热源的功率。
该方程描述了热量在三维空间中的传递过程，是推导三维热传导方程的基础。
为了简化推导过程，我们引入傅里叶方程。
傅里叶方程是热传导方程的一种形式，通过将热传导问题转化为平面问题，从而推导三维热传导方程。
在傅里叶方程中，温度分布被表示为泰勒级数的展开式，而热传导系数k则表示为热流量与温度梯度之间的关系[2]。
有了这些准备，我们可以开始推导三维热传导方程。
首先，我们对能量守恒方程进行变形，将其转化为热流量与温度梯度之间的关系[3]^：k * div(grad(T)) + Q = 0然后，将上式在球坐标系中进行展开，并应用球谐函数展开泰勒级数，得到[4]^：k * (d2/dr2 + 2/r * d/dr + d2/dθ2 + d2/dφ2) * T + Q = 0接着，将球谐函数展开并代入上式，得到[5]^：k * (∑(i=0)(∞) (l(l+1) * r江西省) * g(l,m) * T(r,θ,φ) + Q = 0其中，l和m表示球谐函数的角动量和磁量子数，r表示径向距离，θ和φ表示极角和方位角。
g(l,m)是球谐函数展开系数。
根据球谐函数的正交性和完备性，我们可以对上式进行化简。
三维热传导方程的解法
三维热传导方程的解法热传导方程是热力学中的一个重要方程，用于描述物质内部温度随时间和位置的变化关系，常用来研究热传导现象和热工艺过程。
三维热传导方程是热传导方程的一种特殊形式，适用于描述三维体积内的热传导行为。
本文将介绍三维热传导方程的解法。
一、三维热传导方程的基本形式三维热传导方程的基本形式如下所示：$$\frac{\partial u}{\partial t} = \alpha \nabla^2 u$$其中，$u$ 表示温度场，$t$ 表示时间，$\alpha$ 为热扩散系数，$\nabla^2$ 是拉普拉斯算子，表示温度场的二阶空间导数之和。
二、三维热传导方程是一个偏微分方程，求解它的方法有很多种，以下将介绍其中的两种方法。
1. 分离变量法分离变量法是求解偏微分方程的常用方法之一，其基本思路是假设方程的解可以表示为若干个函数的乘积形式，然后通过代数推导得到这些函数的形式。
对于三维热传导方程，可以采用以下步骤进行求解：假设温度场 $u$ 可以表示为以下形式：$$u(x,y,z,t) = X(x)Y(y)Z(z)T(t)$$将上式代入三维热传导方程中，得到：$$\frac{X}{\alpha}\cdot\frac{d^2T}{dt^2} =\frac{T}{\alpha}\left(\frac{d^2X}{dx^2}+\frac{d^2Y}{dy^2}+\frac{d ^2Z}{dz^2}\right)$$假设方程的解为 $T(t)=e^{-\lambda\alpha t}$，其中$\lambda$ 为常数，则得到以下形式：$$\frac{X}{\alpha}\cdot\frac{d^2T}{dt^2} + \lambda T = 0$$通过求解上式可以得到 $T(t)$ 的形式。
进而，可以得到 $X(x)$、$Y(y)$ 和 $Z(z)$ 的形式。
将它们代入 $u$ 中，便可以得到温度场$u(x,y,z,t)$ 的解。
铺设保温材料的通风路基三维温度场数值分析
由于 λ ，C 都是温度 T 的函数，式(7)是高度非 线性的。Euler 向后差分格式简单易行，且有一定精 度，故本文采用这种方法对式 (7) 进行时间域的离 散，可以得到迭代公式：
(C + ∆tK )Tt = CTt − ∆t + ∆tF
或
(11) (12)
Tt = (C + ∆tK ) −1 (CTt − ∆t + ∆tF )
C (T ) =
按下式构造热容[5
C=
～7]
dH dT
(14)
：
∂H ∂T ∂H ∂T ∂H ∂T + + ∂x ∂x ∂y ∂y ∂z ∂z ∂T ∂T ∂T + + ∂x ∂y ∂z
2 2 2
(15)
对空间问题采用八节点等参元，焓的插值函数 为
∂T = −α (Ta − T ) ∂n −λ ∂T = qv ∂n
(在 Γ 2 上)
(3) (4)
(在 Γ 3 上)
H = ∑ N i ( x，y，z ) H i
i =1
n
(16)
其中，
∂H ∂N i =∑ Hi ∂x ∂x i ∂H ∂N i =∑ Hi ∂y ∂y i ∂H ∂N i =∑ Hi ∂z ∂z i
，
(1. Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute，Chinese Academy of Sciences， Lanzhou 730000，China；2. School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)
潜油电机转子三维稳态温度场的分析与计算的开题报告
潜油电机转子三维稳态温度场的分析与计算的开题报告一、问题背景及意义潜油电机有广泛的应用领域，如油田开采、深海勘探等。
潜油电机转子在工作中由于外部环境的影响以及内部电流的热效应等因素，会产生大量热量，从而导致温度过高，严重时会影响潜油电机的工作效率和寿命，甚至导致故障、损坏和事故。
因此，对潜油电机转子的温度场进行分析与计算，对潜油电机的设计、优化和安全运行具有重要意义。
二、研究内容本项目旨在对潜油电机转子的稳态温度场进行分析与计算，具体包括以下内容：1. 对潜油电机转子的结构和工作原理进行研究，并确定计算模型和方法。
2. 运用数值模拟方法，建立潜油电机转子的三维稳态温度场模型，考虑外部环境、转子材料、内部电流等影响因素，并采用合适的网格剖分和求解算法对温度场进行计算。
3. 分析温度场分布情况，确定潜油电机转子的局部热点和温度梯度，研究其对潜油电机的影响。
4. 对模型进行验证和优化，确定保证潜油电机转子安全稳定运行的温度范围和参数。
三、研究方法本项目采用数值模拟方法，建立基于计算流体动力学（CFD）和热传导理论的潜油电机转子三维稳态温度场模型，并运用商用数值分析软件ANSYS进行计算和分析。
具体研究流程如下：1. 获取潜油电机转子的结构参数和工作参数，确定计算模型和方法。
2. 建立转子的三维几何模型，采用合适的网格剖分方法和求解算法，对转子进行数值模拟，并考虑外部环境和内部电流等影响因素，预测转子的稳态温度场分布。
3. 对温度场分布进行分析和优化，确定转子的局部热点和温度梯度，研究其对潜油电机性能和安全的影响。
4. 对模型进行验证和修正，确定保证潜油电机转子安全稳定运行的温度范围和参数。
四、预期结果通过上述研究方法，本项目预期得到以下结果：1. 建立基于CFD和热传导理论的潜油电机转子三维稳态温度场模型，为潜油电机的设计和优化提供理论支持。
2. 分析温度场分布情况，确定潜油电机转子的局部热点和温度梯度，为潜油电机的安全运行提供依据。
热传导方程与温度分布计算
热传导方程与温度分布计算热传导方程是描述物体内部温度分布随时间变化的重要方程。
在工程和科学领域中，研究和计算温度分布对于设计和优化热传导系统非常重要。
本文将探讨热传导方程的基本原理以及如何利用该方程计算温度分布。
热传导方程是由法国物理学家让-巴蒂斯特·约瑟夫·傅里叶在19世纪提出的。
该方程描述了热量在物体内部的传导过程。
热传导是通过分子间的碰撞和传递热能的方式进行的。
热传导方程的一般形式如下：∂T/∂t = α∇²T其中，T是温度分布随时间和位置的函数，∂T/∂t表示温度变化率，∇²T表示温度梯度的二阶导数，α是热扩散系数。
热传导方程可以用来计算物体内部的温度分布随时间的变化。
假设我们有一个均匀的物体，初始时刻的温度分布已知。
通过求解热传导方程，我们可以得到物体内部温度在不同位置和不同时间的数值解。
为了求解热传导方程，我们需要确定边界条件和初始条件。
边界条件是指物体表面的温度分布，初始条件是指初始时刻物体内部的温度分布。
根据具体问题的不同，我们可以选择不同的边界条件和初始条件。
一种常见的求解热传导方程的方法是有限差分法。
该方法将物体划分为离散的网格点，然后利用近似的方式将热传导方程转化为差分方程。
通过迭代求解差分方程，我们可以得到物体内部温度在不同位置和不同时间的数值解。
除了有限差分法，还有其他一些数值方法可以用来求解热传导方程，如有限元法和边界元法。
这些方法在不同的问题和情境下具有不同的优势和适用性。
热传导方程的应用非常广泛。
在工程领域中，热传导方程可以用来研究和优化各种热传导系统，如散热器、换热器和导热材料。
通过计算温度分布，我们可以评估系统的热性能，并进行设计和改进。
此外，热传导方程还可以应用于地球科学领域。
例如，通过求解热传导方程，我们可以研究地球内部的温度分布和热流。
这对于理解地球的内部结构和地球动力学过程非常重要。
总之，热传导方程是描述物体内部温度分布随时间变化的重要方程。
工业与民用配电设计手册铜排温度
工业与民用配电设计手册铜排温度工业与民用配电设计手册铜排温度1.简介工业与民用配电系统是现代社会中不可或缺的基础设施之一。
在电力传输和分配过程中，铜排是一种常用的导电材料。
铜排能够提供良好的导电性能和散热性能，但在实际使用中，铜排的温度升高是一个常见的问题。
本文将从设计原则、计算方法和散热措施等方面，探讨工业与民用配电设计手册中铜排温度的相关内容。
2.设计原则在工业与民用配电系统设计中，铜排的温度升高应被合理控制，以确保系统的安全和可靠运行。
设计人员应遵循以下原则：（1）合理选择铜排的截面积和长度，以满足电流承载能力和散热要求。
（2）合理布置铜排，保证空气流动，提高散热效果。
（3）避免铜排与其他热源的直接接触，以防止温度升高过快。
3.计算方法为了合理评估铜排的温度升高，设计人员可以采用以下计算方法：（1）内阻法：根据铜排截面积、长度和电流大小，计算铜排的电阻值，进而估算温度升高。
（2）有限元分析法：利用有限元软件对铜排进行三维热传导分析，得出温度分布和最高温度。
（3）经验公式法：根据历史数据和经验总结的公式，进行简化的温度计算。
4.散热措施为了降低铜排的温度升高，设计人员可以采取以下散热措施：（1）增加铜排的截面积：通过增加铜排的截面积，可以降低电阻值，减小温度升高。
（2）提高空气流动：合理布置铜排，保证空气流动，利用自然对流或强制对流的方式，提高散热效果。
（3）增加散热面积：通过增加铜排周围的散热面积，如散热片、散热器等，增强散热效果。
（4）使用散热材料：在铜排和其他热源之间使用散热材料，如热导胶、热导硅胶等，提高热传导效率。
5.结论铜排在工业与民用配电系统中起着重要作用，但温度升高是一个需要关注的问题。
设计人员应根据实际情况合理选择铜排截面积和长度，并采取相应的散热措施，以保证铜排的温度在安全范围内。
同时，计算方法的选择也需要根据具体情况进行权衡。
通过科学合理的设计和措施，可以有效提高铜排的耐久性和可靠性，确保工业与民用配电系统的正常运行。
参考2.多维导热问题的数值解原理
第二章 多维导热问题2.1 二维非稳态导热全隐格式的通用离散方程三种二维坐标系中的网格系统见下图2-1。
采用控制容积积分法导出的离散方程以二维直角坐标系下的为例，根据二维非稳态导热方程：S yTy x T x t T c+∂∂∂∂+∂∂∂∂=∂∂)()(λλρ （2.1） 取全隐格式，假设节点之间温度线性分布，界面上热流密度均匀分布。
非稳态项积分：y x T T c dxdydt tT cP P P n s e wtt t∆∆-=∂∂⎰⎰⎰∆+)() ( 0ρρ 扩散项积分：⎰⎰⎰⎰⎰⎰∆+∆+∂∂∂∂+∂∂∂∂t t tn s ewt t tn s ewdxdydt y Ty dxdydt x T x )()(λλ t x x T T x T T t y x T T x T T n N P s n P N n w W P w e P E e ∆∆⎥⎦⎤⎢⎣⎡---+∆∆⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=)()()()(δλδλδλδλ 源项积分：t y x T S SSdxdydt P P ct t tn s ew∆∆∆+=⎰⎰⎰∆+)(上述结果整理成：b T a T a T a T a T a S S N N W W E E P P ++++= （2.2）其中各系数为：y x S a a a a a a P P S N W E P ∆∆-++++=0（2.2）e e E x y a λδ/)(∆=， w w W x y a λδ/)(∆=，n n N y x a λδ/)(∆=，ss S y x a λδ/)(∆= （2.3a ）y x tc a PP ∆∆∆=) (0ρ （2.3b ）0P P c T a y x S b +∆∆= （2.3c ）仍然需要记住，式（2.3a ）表示的是各节点之间的热导（热阻的倒数），分子上的x ∆、y ∆代表的是各控制容积面上的面积；在二维问题中，y x ∆∆的乘积是控制容积的体积。
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t q grad 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。 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。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析
1. 【Automatic】：程序自动划分网格 2. 【Tetrahedrons】：采用四面体单元划分。
3. 【Hex Dominant】 ： 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 。
4. 【Sweep】：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。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 生成草图
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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1376，单元
数为253。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 网格划分类型根据算法可以分为：协调分片算法【 Patch Conforming】和独立分片算法【Patch Inde pendent】 。 网格划分类型根据单元形状可以分为：四面体网格 【Tet Meshing】 ，六面体网格【Hex Meshing】 ，四边形网格【Quad Meshing】 ，三角形网格【T riangle Meshing】 。
n
得到温度场内温度变化率也降低。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 其他因素（边界条件）
保持三维结构的材料属性（钢）和几何尺寸（圆柱体）不变的情
况下，通过改变边界条件的温度，如把上表面的温度由100℃变为50℃ ，研究温度场的变化情况。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 通过温度场计算结果可知，上表面温度降为原 来温度一半，温度场的最大值也降为原来的一半， 内部各个网格点的数值也变为一半。说明边界上的 初始温度影响着模型内部实际的热量传递数值。
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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
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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
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 ANSYS14.5 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0.1 m，长为1 m,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 30 w/m.℃（22℃时）。见图 1。
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。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 施加上表面温度100°C（下表面0°C同理）
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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100°C
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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 0°C
5. 【Multizone】：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 掠网格划分相似，但更适合于用扫掠方法不能分解的几何体
6. 【CFX-Mesh】：采用流体网格CFX划分实体
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 结构材质（导热系数）
保持圆柱体热边界条件不变的情况下，通过改变三维结构的材料
属性，对比钢、玻璃、松木（对应不同的导热系数）的温度场分布规律 ，分析结构材质对温度场分布的影响。其中，钢、玻璃、松木的热导率 分别为30w/m.℃、0.75w/m.℃、0.35w/m.℃。
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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patch independent 算法; 如果要要考虑一些小细节，则使用patch conforming算法。
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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4个方面：几何条件、物 理条件、时间条件、边界条件。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 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）
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三维热传导问题温度场分布的数值分析
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 数值分析解法
有限单元法（ABAQUS、ANSYS、MRAC） 有限差分法（FLAC/FLAC3D） 有限体积法（CFD）
边界元法（Fortran、C语言、Matlab）
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 ANSYS
ANSYS 软件是第一个通过 ISO9001 质量认证的大型
结构形状（几何尺寸）
保持左右两端热边界条件不变的情况下，通过 改变三维结构的几何形状，对比圆柱体、长方体、 任意不规则旋转体（长度、横截面面积尽量保持一 致）的温度场分布规律，分析结构形状对温度场分 布的影响。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 温度场分布（圆柱体）
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 热流密度（q）的分析结果
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三维热传导问题温度场分布的数值分析
运用ANSYS软件对圆柱体进行传热分析,充分利用其强大的仿真计算能力 ,可以深入地了解圆柱体类实物在一定边界条件下的温度场分布。
(1) 通过对圆柱体模型进行传热学分析，对圆柱体温度分布情况进行 仿真计算，能够实现对圆柱体温度场的全面模拟,有利于进一步研究复 杂模型的温度场分布。
Fig. 1
图1 计算模型三维结构示意图 3-D structure sketch map of calculation model
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 解题步骤
1. 选择稳态热分析系统。
2. 确定材料参数：稳态传热问题，仅输入热传导系数。
3. 【DesignMdoler】建立几何模型：考虑对称性，建立 1/8 圆柱体。 4. 进入【Mechanical】分析程序。 5. 网格划分：采用系统默认网格。 6. 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。 7. 设臵需要的结果：温度分布。 8. 求解及结果显示。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 温度场分布（长方体）
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 热流密度（q）的分析结果
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 温度场分布（不规则旋转体）
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 热流密度（q）的分析结果
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 当三维结构为规则体——圆柱体、长方体时，各个 网格节点的热流密度大小为常值；当三维结构为不 规则体旋转体时，热流密度大小在不同的横截面有 不同的数值。再结合温度场分布图可知，当横截面 积不变时，热流密度大小不变，温度场线性分布； 反之，温度场则不规律分布。
(2) 圆柱体的上表面温度是整个模型温度最高的区域，通过温度场和 热流密度分布情况可以看出，上表面到下表面的温度分布是逐渐变小的 。 (3) 根据不同的三维模型尺寸、材料属性、边界条件，得到的温度场 分布是不同的，说明影响温度场的分布的数值大小包括以上三个因素。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 参考文献：
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 运用ANSYS对圆柱体进行热分析的步骤如下：
（1）按照圆柱体的实际几何尺寸,建立圆柱体的三维计算模型； （2）定义热分析的类型,即选择“稳态热传导”； （3）确定圆柱体的材料，设臵模型的材料属性,并将三维计算模型进行网 格划分； （4）设定模型边界条件温度，然后进行分析计算；
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 温度场分布（玻璃）
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 温度场分布（松木）
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 热流密度（q）的分析结果
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 热流密度（q）的分析结果
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 根据上图的温度场和热流密度分布图，可知， 热导率改变后（由玻璃变为松木），温度场分布大 体不变（最大值、最小值不变），内部分布数值变 化快慢发生变化。当热导率降低，热流密度降低， 根据公式 t q grad t n
（2）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 ℃。 （3）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。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 热流密度（q）的分析结果
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三维热传导问题温度场分布的数值分析
从ANSYS计算结果（如图所示）可以看出：
[1] 薛庆国,高小武,程素森.冷却壁高炉炉墙温度场 的数值模拟(J).北京科技大学学报，2000,22(2):1 27-130.
[2] 张学学. 热工基础[M]. 高等教育出版社， 2015 . 176-177