传热大作业两种边界条件汇总Word文件下载.docx
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二维导热物体温度场的数值模拟
一:
物理描述
有一个用砖砌成的长方形截面的冷空气通道,其截面尺寸和示意图如图1-1所示,假设在垂直纸面方向上冷空气及砖墙的温度变化很小,可以近似地予以忽略。
在下列两种情况下试计算:
(1)砖墙横截面上的温度分布;
(2)垂直于纸面方向的每米长度上通过砖墙的导热量。
第一种情况:
内外壁分布均匀地维持在0
及30
;
第二种情况:
内外表面均为第三类边界条件,且已知:
砖墙的导热系数
图1-1
二:
数学描述
该结构的导热问题可以作为二维问题处理,并且其截面如图1-1所示,由于对称性,仅研究其1/4部分即可。
其网络节点划分如图2-1;
上述问题为二维矩形域内的稳态、无内热源、常物性的导热问题,对于这样的物理问题,我们知道,描写其的微分方程即控制方程,就是导热微分方程:
第一类边界条件:
=30
=0
第三类边界条件:
fa
(m,n)
cb
=
n
emd
图2-1
三:
方程的离散
如上图2-1所示,用一系列与坐标轴平行的网络线把求解区域划分成许多子区域,以网格线的交点作为需要确定温度值的空间位置,即节点,节点的位置已该点在两个方向上的标号m、n来表示。
每一个节点都可以看成是以它为中心的小区域的代表,如上(m,n):
对于(m,n)为内节点时:
由级数展开法或热平衡法都可以得到,当
时:
1 对于(m,n)为边界节点时:
1)位于平直边界上的节点:
2)外部角点:
如图2-1中a、b、d、e、f点,
3)内部角点:
如图2-1中c点,
由已知条件有,当m=1或n=13时的节点的温度衡为
,当(m=6且n<
9)和(n=8且6<
m<
17)时的节点的温度为
。
四:
编程思路及流程图
五、实验结果
等温边界程序运行结果:
对流边界程序运行结果:
等温边界节点温度分布图
对流边界节点温度分布图:
附:
fortran语言编写的程序:
1.1.第一类边界条件
programsuiyi
implicitnone
REAL:
:
t(13,16),ta(13,16)
dt,dtm,Q1,Q2,Q!
Q1为从外表面所算得的热量,Q2为从内表面所算得的热量,!
Q为二者的平均
LAMD=0.53!
导热系数
INTEGER:
i,j
epsilon=1.e-6!
偏差
t=20.0!
迭代初值
ta=0.0
t(1,:
)=30.0!
外边界表面30度
t(:
1)=30.0
doi=6,16!
内边界表面0度
t(6,i)=0.0
enddo
doi=6,13
t(i,6)=0.0
1doi=2,5!
二到五行内部节点温度
doj=2,15
t(i,j)=0.25*(t(i-1,j)+t(i+1,j)+t(i,j-1)+t(i,j+1))
doi=6,12!
六到十二行内部节点温度
doj=2,5
doi=2,5!
绝热边界节点温度计算
t(13,i)=0.25*(t(13,i-1)+t(13,i+1)+2*t(12,i))
t(i,16)=0.25*(t(i-1,16)+t(i+1,16)+2*t(i,15))
dtm=0.0
doi=2,13
doj=2,16
dt=abs(t(i,j)-ta(i,j))
if(dtm<
dt)dtm=dt
ta(i,j)=t(i,j)
enddo
epsilon)then!
温度分布
print*,'
温度分布为:
'
doi=1,6
write(*,'
(16(f5.1))'
advance='
no'
)t(i,:
)
print*
doi=7,13
yes'
)t(i,1:
6)
else
goto1
endif
Q1=0!
初始外表面导热量
doi=2,15
Q1=Q1+(t(1,i)-t(2,i))*LAMD!
第一行减去第二行的
doi=2,12!
第一列的减去第二列的
Q1=Q1+(t(i,1)-t(i,2))*LAMD
Q1=Q1+(0.5*(t(1,16)-t(2,16))+0.5*(t(13,1)-t(13,2)))*LAMD
Q2=0!
初始内表面导热量
doi=6,15
Q2=Q2+(t(5,i)-t(6,i))*LAMD!
第六列及以后的第五行的减去第六行的
doi=6,11!
第六行以后的第五列减第六列
Q2=Q2+(t(i,5)-t(i,6))*LAMD
Q2=Q2+(0.5*(t(5,16)-t(6,16))+0.5*(t(13,5)-t(13,6)))*LAMD
Q=(Q1+Q2)/2.0
(a,f8.3,a)'
)'
每米高1/4墙的导热量为:
Q,'
W'
endprogram
1.2.第三类边界条件
dt,dtm,Q1,Q2,Q,e!
Q1为从外表面所算得的热量,Q2为从内表面所算得的热量,!
integer:
h1=10
h2=4
t_outflow=30
t_innerflow=10
1doi=2,5!
doi=6,12!
doi=2,12
t(i,1)=(0.1*h1*t_outflow/LAMD+(t(i+1,1)+t(i-1,1))/2+t(i,2))/(2+0.1*h1/lamd)
t(1,j)=(0.1*h1*t_outflow/LAMD+(t(1,j+1)+t(1,j-1))/2+t(2,j))/(2+0.1*h1/lamd)
doj=7,15
t(6,j)=(0.1*h2*t_innerflow/LAMD+(t(6,j+1)+t(6,j-1))/2+t(5,j))/(2+0.1*h2/lamd)
doi=7,12
t(i,6)=(0.1*h2*t_innerflow/LAMD+(t(i+1,6)+t(i-1,6))/2+t(i,5))/(2+0.1*h2/lamd)
enddo
t(1,1)=(h1*0.1*t_outflow+lamd*(t(2,1)+t(1,2))/2)/(lamd+h1*0.1)
t(1,16)=(h1*0.1*t_outflow/2+lamd*(t(1,15)+t(2,16))/2)/(lamd+h1*0.1/2)
t(6,16)=(h2*0.1*t_innerflow/2+lamd*(t(6,15)+t(5,16))/2)/(lamd+h2*0.1/2)
t(13,1)=(h1*0.1*t_outflow/2+lamd*(t(12,1)+t(13,2))/2)/(lamd+h1*0.1/2)
t(13,6)=(h2*0.1*t_innerflow/2+lamd*(t(13,5)+t(12,6))/2)/(lamd+h2*0.1/2)
t(6,6)=(lamd*(t(5,6)+t(6,7)+t(7,6)/2+t(6,5)/2)+h2*0.1*t_innerflow)/(3*lamd+h2*0.1)
Q1=Q1+(t(1,j)-t(2,j))*LAMD!
doj=6,15
Q2=Q2+(t(5,j)-t(6,j))*LAMD!
e=abs(q1-q2)/q
每米高墙的平均导热量为:
4*Q,'
、
2.实验感想
用数值算法算出的各节点温度值,和通过电阻实验模拟出来的温度值,在允许误差范围内;
通过这次的上机实验,对传热的很多问题和数值算法都有一定的加深理解和掌握,收获很多,同时对于个人的动手动脑及解决问题的能力都有一定的提高。
同样,这也反过来证实了“二维导热物体温度场的电模拟实验”的正确性和可行性。
参考文献
[1]西安交通大学等编,传热学实验指导书,热与流体实验中心
[2]周振红等主编,Fortran90/95高级程序设计,黄河水利出版社,2005
[3]杨世铭,陶文铨编著,传热学,高等教育出版社,2006