- Matlab求解有限元专题系列
固体热传导方程
固体热传导的方程为：
ρ C p ( ∂ T ∂ t + u t r a n s ⋅ ∇ T ) + ∇ ⋅ ( q + q r ) = − α T d S d t + Q \rho C_p \left( \frac{\partial T}{\partial t} + \mathbf{u}_{\mathtt{trans}} \cdot \nabla T \right) + \nabla \cdot (\mathbf{q}+\mathbf{q}_r) = -\alpha T \frac{d \mathbf{S}}{dt} + \mathbf{Q} ρCp(∂t∂T+utrans⋅∇T)+∇⋅(q+qr)=−αTdtdS+Q
这里涉及的参数包括：
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| ρ \rho ρ | 密度， k g / m 3 \mathtt{kg}/\mathtt{m}^3 kg/m3 |
| C p C_p Cp | 比热容， J / k g ⋅ K \mathtt{J}/\mathtt{kg} \cdot \mathtt{K} J/kg⋅K |
| T T T | 温度， K \mathtt{K} K |
| u t r a n s \mathbf{u}_{\mathtt{trans}} utrans | 位移速度， m / s \mathtt{m}/\mathtt{s} m/s |
| q \mathbf{q} q | 热流密度， W / m 2 \mathtt{W}/\mathtt{m}^2 W/m2 |
| q r \mathbf{q}_r qr | 辐射热流密度， W / m 2 \mathtt{W}/\mathtt{m}^2 W/m2 |
| α \alpha α | 热膨胀系数， K − 1 \mathtt{K}^{-1} K−1 |
| S \mathbf{S} S | 第二Piola-Kirchhoff 应力张量， P a \mathtt{Pa} Pa |
| Q \mathbf{Q} Q | 额外的热源， W / m 3 \mathtt{W}/\mathtt{m}^3 W/m3 |
将内部热传导的热流简化为传热系数与温差的乘积：
q = − k ∇ T \mathbf{q} = -k \nabla T q=−k∇T
这里的 k k k是热传导系数，单位是 W / m ⋅ K \mathtt{W}/\mathtt{m} \cdot \mathtt{K} W/m⋅K。
忽略热辐射、运动和应力张量等项，上述方程可以简化为：
ρ C p ∂ T ∂ t − ∇ ⋅ ( k ∇ T ) = Q \rho C_p \frac{\partial T}{\partial t} - \nabla \cdot (k \nabla T) = Q ρCp∂t∂T−∇⋅(k∇T)=Q
通常只需要考虑以下量值：
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| t t t | 时间自变量 |
| x \mathbf{x} x | 空间自变量 |
| T T T | 温度，传热方程积分应变量 |
| Q Q Q | 热源，抽象为（通常是边界）单元的热载荷 |
| ρ \rho ρ | 密度，物性，基本不随温度变化 |
| k k k | 热传导系数，物性，随温度变化 |
| C p C_p Cp | 比热容，物性，随温度变化 |
定义热扩散系数为
α = k ρ C p \alpha = \frac{k}{\rho C_p} α=ρCpk
积分传热方程时，可以考虑把对应的参数都设为1，此时，方程变为：
∂ T ∂ t ∗ − ∇ ⋅ ∇ T = Q / k \frac{\partial T}{\partial t^*} - \nabla \cdot \nabla T = Q/k ∂t∗∂T−∇⋅∇T=Q/k
这里的 t ∗ t^* t∗是无量纲时间，定义为：
t ∗ = α t t^* = \alpha t t∗=αt
有限元求解过程
对中间有一个空洞的矩形区域，求解其热传导方程。
通过CSG建模，生成一个矩形区域，然后在中间挖去一个小矩形区域。先建一个函数：
matlab">function gg = blockWithCavityrect1 = [3 4 -0.5 0.5 0.5 -0.5 0.8 0.8 -0.8 -0.8];
rect2 = [3 4 -0.1 0.1 0.1 -0.1 0.4 0.4 -0.4 -0.4];
gd = [rect1', rect2'];
sf = 'R1 - R2';
ns = char('R1', 'R2')';gg = decsg(gd, sf, ns);
然后在计算程序中调用这个函数产生几何体。
matlab">%% model and geometry
g = blockWithCavity;
model = femodel(AnalysisType="thermalTransient",...Geometry=g);h = figure(1);
pdegplot(model,EdgeLabels="on");
xlim([-0.6,0.6])
ylim([-1,1])
按照前面说所说的，把参数都设为1，这样得到解，只会有时间尺度上的线性差异。
matlab">model.MaterialProperties = ...materialProperties(ThermalConductivity=1, ...MassDensity=1, ...SpecificHeat=1);
边界同样和初始条件（因为是时变问题）在程序中设定：
matlab">%% boundary conditions and initial conditionsmodel.EdgeBC(6) = edgeBC(Temperature=100);
model.EdgeLoad(1) = edgeLoad(Heat=-10);model.FaceIC = faceIC(Temperature=-10);
采取默认的网格：
matlab">%%
model = generateMesh(model);figure(2);
pdemesh(model);
title("Mesh with Quadratic Triangular Elements")
xlim([-0.6,0.6])
ylim([-1,1])
最后，调用fesolve函数求解：
matlab">%%tlist = 0:.1:5.0;
results = solve(model,tlist)
results语句后面没有分号，直接显示得到的结果：
results = TransientThermalResults - 属性:Temperature: [1232×51 double]SolutionTimes: [0 0.1000 0.2000 0.3000 0.4000 0.5000 0.6000 0.7000 0.8000 0.9000 1 … ] (1×51 double)XGradients: [1232×51 double]YGradients: [1232×51 double]ZGradients: []Mesh: [1×1 FEMesh]
最后就是结果的可视化：
matlab">[qx,qy] = evaluateHeatFlux(results);figure(3)
c = pdeplot(results.Mesh,XYData=results.Temperature(:,end), ...Contour="on",...FlowData=[qx(:,end),qy(:,end)], ...ColorMap="hot");
xlim([-0.6,0.6])
ylim([-1,1])
axis equal
title(sprintf("t = %4.2f", results.SolutionTimes(end)))
实际上，也很容易利用与前面优化过程可视化相同的方法，将结果可视化成动画。
matlab">[qx,qy] = evaluateHeatFlux(results);fn = "cavity.gif";
if exist(fn, 'file')delete(fn);
endfigure(3)for i = 1:size(results.Temperature, 2)c = pdeplot(results.Mesh,XYData=results.Temperature(:,i), ...Contour="on",...FlowData=[qx(:,i),qy(:,i)], ...ColorMap="hot");xlim([-0.6,0.6])ylim([-1,1])axis equaltitle(sprintf("t = %4.2f", results.SolutionTimes(i)))exportgraphics(gca, fn, Resolution=100, Append=true);
end
总结
利用统一框架，求解动态热传导方程的过程与求解静力学方程类似，同样是建立模型、设定参数、求解、可视化结果。
不是特别一样的在于，热传导方程的相似参数就只有一个，通过相似性分析，可以简化设定参数的过程，最后结果反应出来的只是时间尺度上的差异。通常而言， α \alpha α 是一个很小的量，因此传热的过程相对来说是比较慢的，通过无量纲化，计算步长比实际时间要小很多。
