一维非稳态多层圆筒热传导matlab,一种求解复合圆筒壁非稳态导热问题的新方法...

复合圆筒壁导热问题有广泛的工程应用背景。例如,注汽和采油生产中的井筒由隔热油管、环空、套管、水泥环和地层等构成;地面油气输送的多层保温管道等也属复合圆筒壁。这些结构边界条件复杂,分析求解难度大甚至无法求解,往往采用数值方法计算。而单纯的数值解不便于理解影响该问题的各种参数的物理意义,因此各种近似分析方法得到发展。但这种近似往往难以在整个时间坐标范围内都达到较高的精度,这就使得近似解更多地局限于定性分析。此外,对于不同的初边值条件或含内热源的导热问题,近似解的形式各异,降低了解的通用性。在20世纪80年代我国将Stehfest算法[1]引入不定常渗流的研究中,但在传热计算领域的应用未见报道。笔者提出一种基于Laplace变换和Stehfest数值反演技术的近似分析方法。1方法描述1.1Stehfest算法Stehfest给出了Laplace变换数值反演的一个计算公式[1,2],假设函数f(t)的Laplace变换为f(s),则f(s)=0f(t)e-stdt.(1)若能够计算f(s),则函数f(t)在t=T的值可由下式计算:f(T)=ln2TNi=1Vifln2Ti.(2)其中Vi=(-1)N/2+imin(i,N/2)k=i+12kN/2(2k)!(N/2-k)!k!(i-k)!(2k-i)!.式中,t和T为自变量;N,i和k均为正整数;Vi为中间函数值。原则上,算法中反演公式项数N取值越大,计算越精确,但是根据传热计算可以发现,由于舍入误差的影响,N一般取820之间的偶数。1.2复合圆筒壁的瞬态热传导问题数学描述复合圆筒壁的瞬态热传导问题(以两层为例)可以用下列热传导方程组描述:rrrt1r=1a1t1+g1(r,),rrrt2r=1a2t2+g2(r,),-1t1rr=r0=1(t1-tf1),1t1rr=r1=2t2rr=r1t1(r1,)=t2(r1,),-2t2rr=r2=2(t2-tf2),t1(r,0)=t2(r,0)=f(r).(3)式中,r为半径,m;r0,r1,r2分别为第一层圆筒壁内表面、第一和第二层圆筒壁材料外表面的坐标,m;t1,t2分别为第一、二层材料的温度,;1,2分别为第一层材料内表面和第二层材料外表面的对流换热系数,W/(m2K);g1(r,),g2(r,)分别为第一、二层材料内的热源强度,W/m3;a1,a2分别为第一、二层圆筒壁材料的热扩散率,m2/s;1,2分别为第一、二层材料的导热系数,W/(mK);tf1,tf2分别为第一层材料内表面流体温度和第二层材料外表面流体温度,;为传热时间,s;f(r)为初始时刻温度分布,。为了统一起见,式(3)中的数学模型考虑第三类边界条件,当对流换热系数比较小或比较大时就演化成绝热或恒壁温边界条件,可以看作第三类边界条件的特例。假设圆筒壁材料为常物性、无内热源且初始温度均匀分布,应用Laplace变换直接在Laplace空间求解,数学模型变为d2T1dr2+1rdT1dr-1T1=1T0,(4)d2T2dr2+1rdT2dr-2T2=2T0.(5)其中1=1c11,2=2c22.式中,T1,T2分别为t1,t2的拉氏变换式;T0为初始温度,;1,2分别为第一、二层材料的密度,kg/m3;c1,c2分别为第一、二层材料的比热,J/(m3K)。方程(4),(5)属于贝塞尔方程[3-5],其通解为T1(r,s)=A(s)I0(rs1)+B(s)K0(rs1)+T0s,(6)T2(r,s)=C(s)I0(rs2)+D(s)K0(rs2)+T0s.(7)其中T(r,s)=0e-stt

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