理论教育 边界条件处理:单元积分法实践

边界条件处理:单元积分法实践

时间:2023-10-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:上一节我们采用积分恒等式法建立了内部单元的差分格式,这种方法同样适用于边界单元。采用积分恒等式法建立边界差分方程,较之于只从数学形式上用差商代替微商建立边界差分方程的方法,前者更忠实于原来的物理模型,我们有理由相信,采用积分恒等式法得到的差分方程,其计算结果更符合实际。

边界条件处理:单元积分法实践

上一节我们采用积分恒等式法建立了内部单元的差分格式,这种方法同样适用于边界单元。下面仍以稳态热传导问题为例,介绍这种方法,计算域如图1.4.7所示。

若泛定方程式(1.3.8)的边界条件

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图1.4.7 计算域与边界条件

y=L2,0≤xL1T=TW (1.4.5)

式中,α为热传递系数;q′为热流密度;TW为边界温度;T为环境温度。以下我们从边界单元体的热平衡原理出发,写出代数形式的差分方程。

对于对流边界单元,如图1.4.8所示,将基于能量守恒原理的积分形式的导热方程直接应用于每个单元,可得到如下差分方程

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对于热流边界单元,如图1.4.9所示,可得到如下差分方程

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图1.4.8 对流边界单元

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图1.4.9 热流边界单元(www.daowen.com)

对于绝热边界单元,如图1.4.10所示,可得到如下差分方程

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对于温度给定的边界单元,如图1.4.11所示,可直接写出差分格式

Tij=TW

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图1.4.10 绝热边界单元

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图1.4.11 温度给定边界单元

对于图1.4.7中四个角上的边界单元,它们的两个外边界从属于两种边界条件,其中一个为对流边界,另一个为热流边界,如图1.4.12所示,不难得到如下差分方程

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图1.4.12 具有两类边界的单元

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从以上内容可以看到,对应同一个边界条件,引用不同的差分方法,得到几乎完全不同的差分方程,这种数学上的不同反映了两种差分方法的根本区别。采用积分恒等式法建立边界差分方程,较之于只从数学形式上用差商代替微商建立边界差分方程的方法,前者更忠实于原来的物理模型,我们有理由相信,采用积分恒等式法得到的差分方程,其计算结果更符合实际。

经过以上边界条件处理后,对每一个边界点都可以列出一个差分方程,再与各内点处的差分方程联立,就构成了方程个数与未知数个数相同的线性代数方程组。

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