一维热传导方程的maple模拟

时间:2023-05-01 12:09:05 资料 我要投稿
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一维热传导方程的maple模拟

卷 第 期 年 月 出版

大 学

,

文 章编 号

以拍礴 一

一 维 热 传导 方 程 的

王 家驹

安徽师范大学 芜 湖

, ,

模拟

,

?

热 传 导 方 程 是一 种偏 微 分方 程

,

对 于 有 界 热传导齐次方 程 的 混 合 问题 用 分

,

离变盈 法 求解往 往 很 复杂 也 很 抽象

理 意义 本 文用

,

为 了更好 的理 解方 程 的解 更直 观 的看 出它 的 物

。 喇 软件将方 程的解用图 像表 示 出来 先 用 户刻

, ,

函 数求解 方 程 再

,

。 用功

函 数 进 行绘 图 通 过 改变边界条件 比较 了 图 形 的变 化 份 况

,

从结 果 可 以 看 出

耐 软件对 于 热传 导 方程 求解和绘 图十分简便 也很 直观

好 的应 用

关健词

在物 理 教学 中可 以 得 到很

热传 导 方程 一 维

中圈 分 类 号 以

文献 标识 码

引言 由于 温度分布不 均 匀 热 量从介 质 中温 度 高 的 地 方 流 向 温 度 低 的 地 方 称 为热 传 导

,

在 数学上 描述 热传导 规 律 的 方样 称为热传导方 程 它 是研 究抛 物线 刑方 程 的模利

,

,

为便

于 我们讨论 考 虑 一 个简化 的模 型 一 根均 匀 细 杆 内热量 传播 的过程

,

设 细 杆横截 面 积为

,

常数

的情 况

,

细 杆 的密 度 为

,

,

比热 为

,

,

它的侧 面 绝 热 也 就是 热量 只 沿 着 它 的 长度方 向传 导

,

因 为细 杆 很 细 所 以 在任何 时 刻 都 可 以 把 横 截 面 积 上 的 温 度 视 为相 同 也 就是 一 个 一 维

轴正 合 以 法来 导出热传导 方 程 也 就 是 函 数

我们取细杆 与

,

,

,

,

劝表示

,

点 在时刻 的温 度 可 以 用 微元 分析 的方 所 满 足 的偏微分方 程 考 虑在 时 间间隔 到

。 。

△ 内 细杆上

,

念 微 元段 热量流动情 况

,

此 时 满 足 热平衡 则 引起 温 度变化所 吸 取 的 热 量

等于 流 人 的热量

△’

,

微元 段 的质 量 为产 川 △ 而 且 在 时 间

一 “

,

,

,

,

内微 元 段

,

温 度升 高为 武

,

二 。

△,

,

其中

二 。、

,

,

△ 所 以 引起 微 元 段 公

温 度升

高所 需 的热量为

为 △口

二 一

二 。

泌△

,

△ △

,

由热传导 理 论 中的傅立 叶定律 可 知在 尔 时 间 内 沿

,

轴 正 向流 过

截 面 的热量

△ 认

约肥 其 中

称 为热传 导 系 数

式 中 的 负 号 表 示 热量从 高温 处 向

低 温 处 流动

收稿 日期

另外在 △‘ 时间 内 流过 △ ,

,

△ 截 面 的热 量 △

为△

,

△,

流入 微元段【

,

,

的 」热

,

△ ’ 于通过 等 △

,

,

截面 流 人 微 元 段 的

热里减 去 通 过

“ 从〔

, ,

截面 流出徽 元 段 的热 量 则 △

中直定理 可 得 △ ’ 加

再由 △

“。

,

△二 习 一 气 ‘

,

,

△ 〕 由

,

△ △

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其中 、

,

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。 △

,

,

,

,

甲 一

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令△ ,

‘ 。 从而 今

,

于是得

其中

此 即热传导 方程

,

在讨论 热传导方 程时 已 知条件是 通 过 定解条件 的方式给 出的 从物 理 上 知道 只要

,

,

侧 出物体上 初始 时 刻 的 温度分布 和边界 上 的温 度或热交换情 况 就 可 以 了 也 就 是 给 出初

,

始条件和边界 条件

细 杆初 始条件 的提 法 为

,

,

,

其边界 条件 的 提法 通 常有 三 种 即

第一 边界 条 件 已 知细 杆端点 比如

, ,

的温 度

,

,

。,

,

第二 边界 条 件 已 知通 过 细 杆端点 比如

, , ,

,

的 热盘

,

,

二 。

二 与某 种 介质接触 它们 之间按 热传导 中 的牛 顿实验定 第三 边界 条件 已 知端点 , 二 , 加 为 已 知函 律 进行着热交换 其边界 条件为 加 其中 产

,

,

,

为热传导系数

,

为热交换 系数

,

对于 无 界热传导 问题我们考 虑 热传导方程 的初 值 问题 对 于 有 界 热传 导 间题 我们考

,

虑热 传导方程的混 合 问题 本 文 主要 讨论混 合 问题 的情 况

比 软件介 绍

国 内在 应用

比 软件上 很 多

一 ’ ‘

,

由 于 其 简 单易 学 使 用 方 便 因 而 得 到 了 广 泛 的

,

,

应用

软件 主要 有 二 个 部分 组 成 用 户 界 面

城 代数运 算 器

外部 函 数库

函数

求解 代数 方程 或 代数方程 组 使 用

中偏微 分 方程求 解 器 为

坛中

, ,

,

中的

函 数 求 解 常微 分方程 使 用 刻

,

该 函 数 及 其 它偏微 分 方科求 解 工 具 存 于 软

件包

函 数 训助

能够 很 快 的 辨认 出用 标 准 方 法 能 否 求偏 微分 方 程 的类 刑

,

如果 判别不 出 那 冈助

, ,

采用 一 种 启 发 式 的 算 法 尝 试 偏微 分 方 程按 特 征 结 构 分 离 出 来

的 策 略就 去 寻 找 给走 偏微 分方 村 的 通 解 寻找 不 到 通 解则 寻 找 可 以 完 全 分离 的 变

重 同此 该 函 数 返 问 的结果 可 能 为

通解

,

近 似 的通 解 即 包 含 任意 函 数但 又 不足 以 得到通 解 的解

,

变量 分离 的 非祸合 的常微 分方程 如也 无 法 完 全 分离变量 则函 数会 再 次 调 用 自身 如 还 是人 败 就会 返 回 未完 全 分离

,

,

的变

同时给 出一 个 警告 信息 其命令 格 式 为

冈助

,

其中

,

为偏微 分 方 程

,

为被求 解 函 数

即卜 所 提 供 的二维 绘 图 指令

可 以 绘 制 二 维 的 函 数 图 参

数 图 极 坐 标 图 等 高线

,

图 不 等式 图 等等

而 三 维 空 间 的绘 图 比 二 维 空 间 更 有 变化性 和 趣味 性 其命 令 函 数 为

可 直接调用

,

,

,

命令格式 如下

,

, ,

,

,

,

,

心 刀“

?

其中

的 变化 推

甘 首 先 根 据 不 同 的 边界条 什 编写 样 序 就 用 是 卿 语 言描述热传导 方程及 相应 的边 函 数 描绘 出二 维 图形 界条 件 然 后 http://http://meiwen.anslib.com/news/55B09F202C1CA31B.html用 阮 函 数 求解方程 最后 角 肉

,

,

处 理 次 间题 的 大 致 思 路 为

,

闰吨 , 、灿 林

?

,

,

加 刀价 二 ” 比

,

叩‘

,

的变化范 围

,

图形 模 拟

根据不 同 的定解 条件对“ 雄热传导方程进行模 拟

可 以 直观 地 看 出热

的 变 化情

为讨论 方便 令

,

。‘ 二

矿 、 中 。 二 ‘ 细 将的长 度 卜

,

细 杆两 端 点 的温 度 已 知 细 杆 两 端 点钓 温 度为定 值

若两 端点温 度都 为

肠正 二 “

,

,

方程 为

二 二

,

,

,

用 幽禅 对 此 方程进行模 拟 的 图 像为 图

。,

图 皆见 图

若一 端点 温 度为

肠‘ 二 。

,

,

一 端点 温 度 为

,

方 稗为

,

,

,

,

用幽

对 此 方程进 行模拟 的图 像为图

,

由上 两 图可 以 看 出 一 两 端点 温 度 确定 时 细 杆 两 端最终 温 度 就 为端点 的 温 度 而 杆 上 各

,

,

点温 度成线性 分布

细杆两 端 点的温 度不 确定

如其中有一 端 点 温 度 为

移 二 肠目

,

,

,

方程 为

,

,

用伽

对 此 方 程进 行模 拟 的图像 为 图

, ,

。。

,

由图 可 见 一 端 点 温 度 是 时 间

的 函 数时 那最 终此 端 的温 度也 随 这 个 函 数变化

,

,

所 以 当细杆 两 端点 的 温 度 已 知时 无 论初 始条 件 如何 杆 两 端 的温 度 由端点 的 温 度

决定 细杆 上 各 点 温 度 也 由两 端 点温 度 决定 由高温 端 向低 温 短 递 减

,

,

小结

本文是用

月 软 件来模拟 一 维热传 导 方 程 的解 的分布 将 边 界 条件划 分 为 二 种

,

细杆两 端 的温 度 已 知 通 过 细 杆 的 热量 已 知 通 过 细 杆 的热量为温 度 的 函 数

,

根 据 不 同的

情况 进 行 侧叩 】模拟 我 们看 出 恤叩

,

软 件模 拟 出来的图形 可 以 直观 的描述热传导方程 解

, , ,

的分布情 况 可 以 深 刻 的理 解热 传导 方程 的 物理 意义 可 以 清楚的体现不 同的边 界 条件对

,

解的影 响

总之 浏旧

软 件操 作简单 描绘 出的图形直观 易位 使得 它在 教学 中可 以 得 到

很好 的应 用

参考 文 献

【 幻 【 【

张星 辉 在大学 物理 教 学 中使用

, ,

’ 流

制作 图像和 动画 的几 个实例 〔〕大学 物 理

月济

,

,

以”

黄水 金 余 守宪 关 于 加加速度 的若十机 械 运 动分析及 郭冰莹 吴 敏键 用

, ,

棋拟【 〕大学 物 理 加

计算 机 代数 系 统实行 电动 力 学 教 学 改 革 的 一 个 尝 试 〔

,

大学 物理

,

郭冰莹 在 有 限差分法 解 二 维 电势 边 值 问题 的应 用 探讨 〔 大学物理 卯

,

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