Тепломассообмен (физико-математические основы): Учебное пособие, страница 50

Системы  линейных  алгебраических  уравнений,  по  которым  рас-считываются  численные  значения  функций  в  узлах  сеток,  могут  быть  записаны  в  матричной  форме,  особенно  если  используется  много  эле-ментов.  Это  облегчает  решение  систем  уравнений.

Следует  иметь в   виду,  что  для  некоторых  задач  не  существуют  необходимые  функционалы.  В  этих  случаях  для  получения  систем  ал-гебраических  уравнений  используют  преимущественно  метод  Б. Г.  Га-леркина,  один  из видов  метода  взвешенных  невязок.

Для  получения  более  подробных  сведений  об  этих  методах  сле-дует  обратиться  к  специальной  литературе [5,...,8].

3.8.5  Граничные  условия

Особо  следует  остановиться  на  аппроксимации  граничных  условий  в  методах  конечных  разностей и  конечных  элементов.

Изменение  температуры  граничных (поверхностных)  точек  во  времени  при  граничных  условиях  первого  рода  задаётся  и  в  любой  момент  времени  они  известны.

При  граничных  условиях  второго  и  третьего  рода  приходится  применять  искусственный приём,  вводя  дополнительный  слой  на  наружной  поверхности  тела  и  предполагая,  что  в  этом  слое  тепло 

Рисунок  20. – Схема  к  определению  температуры  поверхности.

также  передаётся  теплопроводностью. Температуру  наружной  поверх-  ности  этого  мнимого  слоя  обозначим  через  t 0,  температуру  поверх-  ности  тела  -  через  t1,  а  температуру  в  следующей  точке  -  через  t 2 (рисунок  20).

При  одномерном  температурном поле  в  пластине (изменяется  она по  толщине)  аналог  уравнения  теплопроводности  в  конечно-разностной  форме  имеет  вид  (t1,τ─ t1)/Δτ = a(t2 – 2t1 – t0)/Δx2,  а  граничные  условия  второго  рода  (t2 – t0)/2Δx = q(τ)/λ.  Отсюда  найдем  t0 = t2 – 2q(τ) Δx/λ  и,  подставив  в  предыдущее  уравнение,  получим

t1,τ = t1(1-2 ΔFo ) + 2 t2 ΔFo – 2q(τ) ΔFo Δx/λ.

Это  выражение  обеспечивает  устойчивость  расчета  при  ΔFo ≤ 0,5,  то  есть  условие  это  такое  же,  как  при  явной  схеме  расчета  по  четы-рехточечному  шаблону.

При  граничных  условиях  третьего  рода  уравнение  теплообмена  в  конечных  разностях  запишется  в  виде  a (t c – t1) = -l (t 2 - t 0) / 2Dx.  Отсюда  t 0 = t 2 + 2 a Dx (t c – t 1) / l .  Если  это  выражение  подставить  в  аналог уравнения  теплопроводности,  то

t1,t = 2 DFo DBi tc + [1 - 2DFo(1 + DBi)] + 2DFo t 2 .

Теперь  условие  устойчивости  решения  выразится  соотношением       DFo £ 0,5 / (1 + DBi),  то  есть  оно  будет  более  жесткое,  чем  при  гра-  ничных  условиях  первого  рода .  Снять  это  ограничение  можно  за  счёт  аппроксимации  граничного  условия  формулой,  полученной  так  назы-  ваемым  методом  неопределенных  коэффициентов [4] :

t1,t = (2 DBi t c + 4t 2 – t 3) / (3 + 2 DBi) .

Следует  иметь  в  виду,  что  численные  решения  чувствительны  к  резким  изменениям  параметров,  которые  часто  наблюдаются  на  пер-  вых  шагах  расчёта  по  времени .  Поэтому  рекомендуется  [4]  на  первом  шаге  уменьшать  температурный  толчок,  используя  фиктивные  значе-  ния  начальной  температуры. Например,  температуру  поверхности  плас-  тины толщиной  d ,  разбитой  на   n    слоёв ,  принять

·  -   при  граничных  условиях  первого   рода  t1  = (t1,t + t н)/2 ;

·   - при граничных условиях второго рода  t1  = t н + 0,5DFo (q1 d/l)(Dх/d)         

t n+1 = t н + 0,5DFo (q2 d/l)(Dx/d);

·  -   при   граничных  условиях   третьего  рода

t1 = t01 – 0,5(t01 – t н1)(DBi1 +4)/(DBi1 +2),

t n+1 = t 02 – 0,5(t02 – t н2)(DBi2+4)/(DBi2+2).

В  методе  конечных  элементов  граничные  условия  первого  рода  учитываются  основным  интегралом  в  функционале,  а  для граничных  условий  второго  и  третьего  рода  к  основному  уравнению добавляется  еще  интеграл  -  по  поверхности.  Например,  задаче  стационарной  теп-лопроводности, описываемой  дифференциальным уравнением  λ(∂2t/∂x2) + + λ(∂2t/∂y2) + q = 0  при  граничных  условиях  tп = f1,  λ(∂t/∂n) + αtп = f2  со-ответствует  интегральная  формула,  содержащая  функционал