一维导热计算
非稳态
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稳态
1 | 参考二维稳态导热 |
二维导热计算
稳态
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非稳态-显式
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非稳态-隐式
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2个重要的理论基础
- 相似转换-方程分析法
在解决工程问题的过程当中,常常拿实际问题去套用现有模型,在误差降低可接受范围时,这种方法是很实用的。而相似原理是这类方法的核心,推导相似准数是通过数学方法解决这类问题的关键,一般有2种方法:方程分析法和量纲分析法,考虑到最近传输原理课程当中的实际问题,就拿方程分析法来做一个算法总结。(所以相似原理的说明我就直接跳过了,和几何学中的原理类似)
给定一个方程,如v=l/t
在第一个系统里,为:v’=l’/t’
在第二个系统里,为:v”=l”/t”
这时,对同名物理量提出他们的相似常数(常数取值由自己给定),针对上式,分别为Cv、Cl、Ct
则用相似常数、各系统中方程,表示第二个系统中的方程。这里示例为:
v”=Cvv’,l”=Cll’,t”=Ct*t’
Cvv’=Cll’/Ct*t’
上式对比v’=l’/t’,并使之相等,可以得出相似条件:Cv=Cl/Ct,即Cv*Ct/Cl=1
因此,由于相似常数的特定关系为定值(常数),故在相似时,所对应的同名物理量也满足这个关系式。在这个例子当中为:
v’t’/l’=v”t”/l”
在某一类模型当中总是存在这样的相似关系,从而这个关系式(数,即相似准数)可视为这一模型中的一个影响因子(自变量),故可以给予一个物理学意义。例如相似时的雷诺数、努塞尔数都可以通过这种方法确定。
方法总结:在给定关系式的前提下,分别以2个相似系统,引入对应的相似常数并利用消元法去确定相似关系式(相似准数)。其推导过程单纯遵循数学推导
- 相似转换-量纲分析法
量纲分析法也是相似变换当中常用的方法,其最重要的支持理论是相似第三定律(π定理):现象的各量(影响因素)之间关系可表示为相似准数之间的函数关系
F(π1,π2,π3…,πn)=0
该方程称为准数方程。
由此,从现象的n个影响因素(物理量)中选取m个相互独立的物理量,则其余n-m个物理量均可由这m个物理量导出,其具体方法则为量纲分析法,是基于对各量(物理量)消除量纲(即分式当中,同名物理量的幂比值为1)而计算的。举这样一个例子:
一个现象的影响因素有:速度、长度、密度、压力、粘性系数、重力、时间,则他们的一般关系式为
f(v,l,p,P,u,g,t)=0
这里取出其中的v,l,p,去导出其他物理量之间的关系系数(即π,相似准数),此时准数方程应为
F(π1,π2,π3,π4)=0
根据剩余的物理量可以分别带入推出:
π[1]=P/v^a1l^b1p^c1
π[2]=u/v^a2l^b2p^c2
π[3]=g/v^a3l^b3p^c3
π[4]=t/v^a4l^b4p^c4
因为相似准数是无量纲的数(常数),从而以π[1]为例,有
[π1]=[ML^-1T^2]/([LT^-1]^a1)( [L]^b1)( [ML^-3]^c1)
对[M]:1=c1
对[L]:-1=a1+b1-3c1
对[T]:-2=-a1
解得a1=2,b1=0,c1=1,于是有π[1]=(P/pu^2 )=Eu
同理可得其余物理量分别为1/Re,Fr,Ho
则准数方程为F(Ho,Re,Fr,Eu)=0
(在结果上,量纲分析法和方程分析法的结果是相同的,原因是其计算过程中的主要目的相同——消去单位;同时,由π定理,准数方程中独立的相似准数个数=n-m。但是实际计算需要各物理量的量纲表达式!!)
常见物理量的量纲表达式:https://wenku.baidu.com/view/c43ca0f6f705cc17552709f3.html
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