MATLAB在導熱問題中的應用文獻綜述及正文畢業(yè)論文.doc

分類號 密級 U D C 編號 題目 MATLAB在導熱問題中的運用 所 在 院 系 數(shù)學與數(shù)量經(jīng)濟學院 專 業(yè) 名 稱 信息與計算科學 文獻綜述1、概述MATLAB是一個為科學和工程計算而專門設計的高級交互式的軟件包。它集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。在這個環(huán)境下，對所要求解的問題，用戶只需簡單的列出數(shù)學表達式，其結(jié)果便以數(shù)值或圖形方式顯示出來。MATLAB中有大量的命令和事先定義的可用函數(shù)集，也可通稱為MATLAB的M文件，這就使得用它來求解問題通常比傳統(tǒng)編程快得多；另外一點，也是它最重要的特點，易于擴展。它允許用戶自行建立完成指定功能的M文件。從而構(gòu)成適合于其它領域的工具箱。MATLAB既是一種編程環(huán)境，又是一種程序設計語言。它與其它高級程序設計語言C、Fortran等一樣，也有其內(nèi)定的規(guī)則，但其規(guī)則更接近于數(shù)學表示，使用起來更為方便，避免了諸如C、Fortran語言的許多限制，比方說，變量、矩陣無須事先定義；其次，它的語句功能之強大，是其它語言所無法比擬的，再者，MATLAB提供了良好的用戶界面，許多函數(shù)本身會自動繪制出圖形，而且會自動選取坐標刻度。傳熱學是一門研究由溫差引起的熱能傳遞規(guī)律的科學，其理論和技術在生產(chǎn)、科學研究等領域得到了廣泛的應用。在能源動力、建筑建材及機械等傳統(tǒng)工業(yè)部門中，傳熱學理論的應用解決了這些部門生產(chǎn)過程的熱工藝技術，而在新能源利用、軍事高科技等新技術領域中，它甚至對一些關鍵技術起到了決定性作用。傳熱過程是傳熱學研究最基本的過程之一，傳統(tǒng)的數(shù)學分析解法只能解決相對簡單的傳熱問題，而在解決復雜的實際傳熱問題時，數(shù)學描述和求解都很困難。隨著計算機技術的興起，解偏微分方程組等早期不能被很好解決或模擬的部分已逐漸被人們完成。同時，計算機技術的發(fā)展，尤其是MATLAB的出現(xiàn)，不但解決了很多較復雜的問題，也大大促進了傳熱學理論的發(fā)展。本文就介紹目前在該領域的研究狀況，以及存在的問題。2、主題2.1 什么是導熱兩個相互接觸的且溫度不同的物體，或同一物體的各不同溫度部分間，在不發(fā)生相對宏觀位移的情況下所進行的熱量傳遞過程稱為導熱。求解導熱問題的思路主要遵循“物理問題數(shù)學描寫求解方程溫度分布熱量計算”，這一方法對分析方法和數(shù)值方法都適用，且后者結(jié)合MATLAB，則易于求解復雜的導熱問題。2.2 用MATLAB處理導熱問題目前的研究現(xiàn)狀I.V .Singh結(jié)合MATLAB和其他數(shù)學工具無網(wǎng)格化求解了綜合傳熱問題。作者采用了無網(wǎng)格Galerkin方法，基于拉格朗日綜合法建立導熱過程模型并確定基本邊界條件，利用MATLAB快速地解出方程，得到數(shù)值解。研究發(fā)現(xiàn)，相對于如有限元法等一般分析方法，通過該軟件能提高解題效率及解的精度。Lamartine Nogueira Frutuoso Guimaraes等研究了一個U型管的蒸汽發(fā)生器的模型推導。U型管蒸汽產(chǎn)生器是壓力水發(fā)生器的重要部件，作者分析了其內(nèi)有效導熱過程為一個二維導熱過程，從而推導出所要的模型后，結(jié)合MATLAB軟件求解了問題，完成了模型的建立、求解及驗證，并通過該軟件完成了更完善的模擬和仿真分析。Fatemeh Esfandiari Nia等對空調(diào)系統(tǒng)中的除濕轉(zhuǎn)輪的熱力過程進行了建模和仿真。文章分析了除濕轉(zhuǎn)輪上的除濕機綜合傳熱及轉(zhuǎn)輪絕熱除濕過程。得到其模型后，通過MATLAB的SIMULINK工具箱得到所要的數(shù)值解，并對結(jié)果仿真和可視化分析。研究發(fā)現(xiàn)，這種研究方法是有用的，且其結(jié)果對HVAC系統(tǒng)的效率測定有很好的指導意義。李萍等采用MATLAB中的PDE工具箱求解了一般的導熱問題，給出了平壁點熱源導熱的算例。分析表明，使用MATLAB中的PDE工具箱可以不需編程，直接進人用戶圖形界面(GUI)操作，快捷靈活地對點熱源導熱模型進行求解。在GUI上還可以處理復雜幾何形狀的導熱問題，這是MATLAB有別于其他軟件的地方。同時因為有了網(wǎng)格的精化，使得模型中的有限元數(shù)值解的精度大大提高。熱合買提江依明江等基于MATLAB對由用EXCEL得到的矩形薄片的熱傳導問題的計算數(shù)值進行了仿真研究。作者對薄片的二維導熱問題進行了離散化研究，分別得到薄片邊界和內(nèi)部節(jié)點的差分方程，用MS.Excel求得節(jié)點溫度，用MATLAB軟件對計算結(jié)果仿真。研究表明，可視化處理不但求出了與實際想吻合的圖形，還便于理解和深人研究及利用。王平等明對芯層為秸桿的復合材料傳熱特性進行了研究。復合材料從外到內(nèi)分別為聚丙烯纖維等組成的抗壓外層，石灰/發(fā)泡劑等組成的保溫層，秸桿層。經(jīng)分析復合材料芯部傳熱方式只能為導熱。實驗測量得到數(shù)據(jù)后，由MATLAB對其處理和仿真，得到秸桿密度和濕度與整體導熱系數(shù)的曲線，研究結(jié)果可以作為該產(chǎn)品生產(chǎn)的參考意見。艾元方等研究了蜂窩蓄熱體內(nèi)溫度分布。作者建立了蜂窩蓄熱體傳熱數(shù)學模型，利用拉普拉斯變換法求解得到的傳熱偏微分方程組，由于求得的精確解較復雜，因此對其進行有限差分，編寫MATLAB程序，利用其符號運算功能，運行后獲得方程的半精確解。和有關文獻的結(jié)果吻合，但借用MATLAB軟件后，使得獲取蜂窩蓄熱體傳熱半精確解的過程高效而經(jīng)濟。Chao Chen等對一種用于墻體儲能的新相變材料(PCM)進行了實驗和模擬仿真。作者建立了有新新相變材料的墻體的一維非線性導熱模型，利用MATLAB求解，該問題很快得到結(jié)果，并可以繪制節(jié)能效果圖，研究發(fā)現(xiàn)，相變點設置在23度墻厚30毫米時，能節(jié)能17%或更高。王金良研究了復合墻內(nèi)外保溫的傳熱過程。內(nèi)外保溫墻體材料從內(nèi)到外分別依次為水泥、磚墻、空氣層、聚苯乙烯泡沫板和石膏板和水泥砂漿、聚苯乙烯泡沫板、磚墻和抹灰。兩種情況的傳熱分析在相同的總熱阻和室內(nèi)冷負荷環(huán)境下進行，得到溫度場的表達式后，采用MATLAB仿真計算得到了各個交界面溫度隨時間的變化曲線，對比發(fā)現(xiàn):外保溫可以延長主墻使用壽命，不易出現(xiàn)表面結(jié)露和內(nèi)部結(jié)露，不易產(chǎn)生冷熱橋，內(nèi)保溫方式則相反，因此，外保溫方式是值得推廣和利用的復合墻節(jié)能保溫方式。借助MATLAB工具，兩種保溫方式結(jié)果對比明顯、直觀。李燦等利用MATLAB解決了三個難以用解析方法求解的算例。研究包括:一長方體鋼錠的無內(nèi)熱源三維非穩(wěn)態(tài)導熱問題;一圓柱形核電站用燃燒棒的有內(nèi)熱源的非穩(wěn)態(tài)導熱問題;一正方形內(nèi)嵌一菱形的有內(nèi)熱源的復雜邊界熱傳導問題，利用MATLAB及其PED工具箱分別得到了三個算例的5h時刻溫度分布圖和溫度梯度分布圖、10h時刻溫度分布云圖、OAS時刻的等穩(wěn)圖和熱流密度圖。羅靜麗研究了土壤源熱泵垂直埋管的溫度場。作者建立了土壤源熱泵(垂直埋管)U型埋管的傳熱模型，得到導熱微分方程，借助一個算例，利用MATLAB對其數(shù)值模擬，利用其強大的PED工具箱獲得U型管周圍的非穩(wěn)態(tài)溫度場，并對管的設計和鋪就提供了參考意見。正是MATLAB的強大功能使復雜幾何形狀和復雜邊界條件的非穩(wěn)態(tài)導熱問題得到迅速解決，而利用其圖形可視化功能則使得計算結(jié)果形象、直觀而且便于理解。Joydeep Barman等研究了管殼式換熱器內(nèi)的最佳肋片高度。利用了MATLAB仿真工具箱來測定限制條件數(shù)值變化規(guī)律，研究不同形狀(三角形和圓形)肋片換熱變化方式和規(guī)律。發(fā)現(xiàn)肋片的最佳高度能使換熱熱流密度最大，且最佳肋片高度變化和換熱器外徑增大成線性關系。閡劍青利用MATLAB對直肋導熱進行了數(shù)值模擬。對一個等截面直肋算例，建立了其導熱的一維和二維的數(shù)學模型，利用PDEtool工具箱，采用有限元法求解導熱偏微分方程，求出兩模型的數(shù)值解并模擬了肋片溫度分布云圖和溫度梯度分布圖，分析發(fā)現(xiàn)兩種模型是等價的，但二維模型更符合實際，而且PDEtool工具箱解決二維PDE問題非常方便;文章最后根據(jù)繪制的溫度圖象對算例中肋片的參數(shù)設計提供了改進意見，使肋片的導熱系數(shù)提高了近34%。結(jié)果表明運用MATLAB/PDE數(shù)值計算方法是方便而高效的，MATLAB是換熱器工程結(jié)構(gòu)設計和優(yōu)化分析的有利工具。牛天況等采用MATLAB軟件對描述H型鰭片中傳熱過程的偏微分方程進行了求解，得出H型鰭片管在煙氣中的傳熱過程是對流何導熱的綜合過程，導熱在過程中有重要作用，可以采用鰭片效率何綜合傳熱能力來評價H型鰭片管的傳熱特性;不同外形尺寸何厚度的鰭片對傳熱均有顯著影響。必須將鰭片的導熱過程的計算分析和對流換熱的試驗研究相結(jié)合，才能揭示H型鰭片管的傳熱規(guī)律，借助MATLAB強大的數(shù)值計算和圖像功能，可以方便地得到結(jié)果。葉長桑研究了MATLAB在肋片傳熱特性分析和最輕設計上的應用。主要內(nèi)容是:分析肋片傳熱特性，建立數(shù)學模型，獲得溫度分布、散熱量、肋效率等重要參數(shù);利用MATLAB的微分方程求解器快速、方便、準確地模擬了肋片導熱過程，直觀地獲得了數(shù)值解，借助MATLAB繪制了肋片厚度、高度、形狀對散熱量影響的規(guī)律曲線;對肋片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提供了思路，即對薄肋采用矩形肋片優(yōu)于三角形肋片，而對于厚肋則采用三角形肋片的散熱量高于矩形肋片。2.3 目前存在的問題幾乎所有的工程問題都能轉(zhuǎn)化成數(shù)學模型來解，而且借助MATLAB，大多數(shù)的模型的數(shù)值解的精確度均能滿足要求。但是，存在的問題也不少。首先，數(shù)值解法存在許多局限性，一個解只能適用于一個或幾個模型，或者一個或幾個方程。而解析解的得到能使我們得出所有同類問題的通解，并且精確度高于數(shù)值解。這是由于數(shù)學的發(fā)展程度還不足以滿足自然科學的發(fā)展要求，數(shù)值解法只是一個權宜之計。其次，MATLAB雖然能處理大量的數(shù)學問題，但其命令繁多，再加上各種工具箱，要完全學會和很好的使用MATLAB不是一件容易的事情，在編輯和閱讀程序時通常要借助工具書查詢相關命令，這樣就增加了使用難度，使得MATLAB不能廣泛的普及。再者，要合理的使用MATLAB來解決數(shù)學問題，必需是建立在良好的數(shù)學基礎之上的，這就勢必要求MATLAB的使用者有扎實的數(shù)學功底，這又給MATLAB的普及帶來了挑戰(zhàn)。最后，由于工程中的導熱問題的數(shù)學模型并不一都能很順利的建立，這就給使用MATLAB解決導熱問題增加了難度。3. 小結(jié)MATLAB在數(shù)值計算中的應用十分廣泛，處理問題也是十分有效。其作為數(shù)學軟件有其強大的圖形用戶界面操作、數(shù)據(jù)和函數(shù)的可視化和數(shù)值計算功能，且自帶很多現(xiàn)有的函數(shù)和工具包，這使紛繁復雜的工程問題能一一化解。MATLAB在工程計算和數(shù)據(jù)處理中具備如下優(yōu)點：(1)較其它高級程序設計語言，MATLAB程序語言的規(guī)則更為接近數(shù)學表示。.(2)語句簡潔明了，表意卻出乎意料的豐富。出現(xiàn)了“一句頂幾百句其它語言”的生動場面，這一點是C、Fortran等程序設計語言所無法比擬的。(3)在有大量數(shù)據(jù)的處理過程當中，避免 變量、矩陣的事先定義，MATLAB會自動獲取所需的存儲空間。(4)提供了良好的用戶界面，許多函數(shù)本身會自動繪制出圖形，而且會自動選取坐標刻度 可以使用戶大大節(jié)約設計時間，提高設計質(zhì)量。此外，本文由于討論問題所限，還未涉及到其它易于擴展的功能。這一功能可以方便地構(gòu)造出專用函數(shù)，從而大大地擴展MATLAB的應用范圍。綜上所述 MATLAB工具軟件在數(shù)據(jù)的處理和結(jié)果成圖方面都是極具潛力的。不光在導熱問題中，通過MATLAB，幾乎所有的工程問題都能迎刃而解。參考文獻：1I. V. Singh. A numerical solution of composite heat transfer problems using meshless method .International Journal of Heat and Mass Transfer, 2004,47, 47 (10-11) :2123-2138 . 2Joydeep Barmana,and A.KGhoshal. Performance analysis of finned tube and unbaffled shell-and-tube heat ex changersJ .International Joural of Thermal Sciences, 2007,46, 46 (12) :1311-1317 . 3Lamartine Nogueira Frutuoso Guimares,Nilton da Silva Oliveira,Jr.,and Eduardo Madeira Borges. Derivation of a nine variable model of a U-tube steam generator coupled with a three-element controllerJ .Applied Mathe-matical Modelling, 2007,22, 22 (2) :191-202 . 4Fatemeh Esfandiari Nia,Dolf van Paassen ,and Mohamad Hassan Saidi. Modeling and simulation of desiccant wheel for air conditioningJ .Energy and Buildings, 2006,38, 38 (10) :1230-1239 . 5Chao Chena,Haifeng Guo,Yuning Liu,Hailin Yue, and Chendong Wang. A new kind of phase change material(PCM)for energy-storing wallboardJ .Energy and Build-ings. 2007, . 6李萍,張薇. MATLAB在求解溫度場中的應用.工業(yè)爐, 2005,(03) . 7艾元方,孫英文,黃國棟,張燦. 用拉普拉斯變換法求解蜂窩蓄熱體氣固溫度分布.工業(yè)加熱, 2006,(02) . 8牛天況,王振濱. H型鰭片管傳熱過程的研究.鍋爐技術, 2007,(04) . 9王金良. 復合外墻內(nèi)外保溫的傳熱分析與應用探討.能源技術, 2004,(06) . 10葉長燊. 基于MATLAB的肋片傳熱特性分析與優(yōu)化設計.化工設計, 2005,(06) . 11熱合買提江依明江,買買提明艾尼. 基于EXCEL和MATLAB的矩形薄片熱傳導計算與仿真研究.佳木斯大學學報(自然科學版), 2007,(04) . 12羅靜麗. 土壤源熱泵垂直埋管溫度場的數(shù)值模擬.制冷與空調(diào)(四川), 2007,(02) . 13王平,張雙喜,生曉燕,張劍平,余才銳. 芯層為秸桿的復合材料熱工性能研究.新型建筑材料, 2007,(07) .摘要:MATLAB在工程中應用很廣，尤其是在計算復雜的算式中，顯得尤為重要。例如，在研究傳熱學里關于熱流量的計算時，對于復雜幾何形狀的物體和非線性邊界條件下的導熱問題，應用分析法是不可能的。在這種情況下，建立有限差分法，有限元和邊界法基礎上的數(shù)值 計算法是求解問題的十分有效而準確性很高的方法?，F(xiàn)在，許多復雜的導熱問題都可以用MATLAB來處理，得到滿意的數(shù)值解。 另一方面，MATLAB軟件在傳熱學研究中已經(jīng)得到了廣泛的應用，同時促進了傳熱學自身的發(fā)展。本人認為，MATLAB在傳熱學中的應用與深化對于傳熱學的發(fā)展有著深遠的意義。關鍵詞:MATLAB 傳熱學 導熱Abstract :MATLAB is widely used in engineering, especially in the calculation of complex formula, appear particularly important. For example, in the study of the theory about the chain, for complex geometric objects and nonlinear boundary conditions, the application of thermal analysis is impossible. In such circumstances, establish finite difference method, the finite element method based on the border of numerical calculation method is very effective and solve the problem of high accuracy. Now, many complex thermal problems can use MATLAB to handle, numerical solution satisfactory.On the other hand, in the heat of MATLAB software research has been widely applied, and promote the development of heat transfer. I think, in the application of heat transfer on MATLAB for the development of deepening the heat is of profound significance.Key words: MATLAB heat transfer theory heat conducting目錄1MATLAB簡介12MATLAB在簡單的一維穩(wěn)態(tài)導熱問題中的應用23MATLAB在穩(wěn)態(tài)與動態(tài)導熱過程分析中的應用63.1 MATLAB在穩(wěn)態(tài)導熱分析中的應用63.2 MATLAB在動態(tài)傳熱分析中的應用94小結(jié)14參考文獻151MATLAB簡介MATLAB (MATrix LABoratory)具有用法簡易、可靈活運用、程式結(jié)構(gòu)強又兼具延展性。 以下為其幾個特色： 功能強的數(shù)值運算 - 在MATLAB環(huán)境中，有超過500種數(shù)學、統(tǒng)計、科學及工程方面的函數(shù)可使用，函數(shù)的標示自然，使得問 題和解答像數(shù)學式子一般簡單明了，讓使用者可全力發(fā)揮在解題方面，而非浪費在電腦操作上。 先進的資料視覺化功能 - MATLAB的物件導向圖形架構(gòu)讓使用者可執(zhí)行視覺數(shù)據(jù)分，并制作高品質(zhì)的圖形，完成科學性或工程 性圖文并茂的文章。 高階但簡單的程式環(huán)境 - 做為一種直譯式的程式語言，MATLAB容許使用者在短時間內(nèi)寫完程式，所花的時間約為用 FORTRAN 或 C 的幾分之一，而且不需要編譯(compile)及聯(lián)結(jié) (link) 即能執(zhí)行，同時包含了更多及更容易使用的內(nèi)建 功能。 開放及可延伸的架構(gòu) - MATLAB容許使用者接觸它大多數(shù)的數(shù)學原使碼，檢視運算法，更改現(xiàn)存函數(shù)，甚至加入自己的函數(shù)使 MATLAB成為使用者所須要的環(huán)境。 豐富的程式工具箱 - MATLAB的程式工具箱融合了套裝前軟體的優(yōu)點，與一個靈活的開放但容易操作之環(huán)境，這些工具箱提 供了使用者在特別應用領域所需之許多函數(shù)?，F(xiàn)有工具箱有：符號運算（利用Maple V的計算核心執(zhí)行 ）、影像處理、統(tǒng)計分析、訊號處理、神經(jīng)網(wǎng)路、模擬分析、控制系統(tǒng)、即時控制、系統(tǒng)確認、強建控制、弧線分析、最佳化、模糊邏輯、mu分析及合成、化學計量分析。 MATLAB有幾種在不同電腦作業(yè)系統(tǒng)的版本，例如在視窗3.1上的MATLAB for Windows, SIMULINK，在麥金塔上的MATLAB for Macintch，另外還有在Unix上的各種工作站版本?；旧线@些版本主要是提供方便的操作環(huán)境，采用圖形介面。以下針對前述的幾種在PC上的MATLAB 版本做簡要說明： MATLAB for Windows，此版本須要在PC電腦的中英文視窗3.1下執(zhí)行。與舊的DOS版本不同的是對圖形顯示有大幅改 善，使得軟體更合適做信號處理及影像處理的分析。此外一些重要的設定指令也改為由視窗中選擇。目 前308是安裝的是4.0版，不過較新的版本為4.2，而最新版的5.0也剛剛上市。4.0和4.2的差異不是很大， 而5.0未用過所以其功能如合并不清楚。有興趣了解者請到MathWorks網(wǎng)站一探究竟。 SIMULINK，此軟體必須在中英文視窗3.1下執(zhí)行，是給控制領域的使用者做分析線性/非線性、離散系統(tǒng) 。此外也提供很方便的示波器輸出，做為訊號的監(jiān)控。 Student Edition of MATLAB，除了上述各類的MATLAB專業(yè)版本，在1995年Mathworks公司又推出學生專 用的Student Edtion of MATLAB，這個版本為4.2，而它的功能與專業(yè)版幾乎相同，但是多了一些限制。其限制簡述如下： (1)每個向量能能使用的元素個數(shù)上限為8192 (2)每個矩陣的元素總數(shù)上限也為8192，此外不論行或列向量的個數(shù)上限為32 (3)程式不能和C或是Fortran的副程式作動態(tài)連結(jié)。但是它附了二個工具箱：符號運算和訊號處理。 2MATLAB在簡單的一維穩(wěn)態(tài)導熱問題中的應用常微分方程有時很難求解，MATLAB提供了功能強大的工具，可以幫助求解微分方程。函數(shù)dsovle計算常微分方程的符號解。因為我們要求解微分方程，就需要用一種方法將微分包含在表達式中。所以，dsovle句法與大多數(shù)其它函數(shù)有一些不同，用字母D來表示求微分，D2，D3等等表示重復求微分，并以此來設定方程。任何D后所跟的字母為因變量。由此，常微分方程在MATLAB中應寫為D2y+2Dy=y。方程=0用符號表達式D2y=0來表示。獨立變量可以指定或由symvar規(guī)則選定為缺省。dsolve(diff_eqution,condition1,condition2,condition3,.,var)算例:通過平壁的導熱：微分方程：邊界條件：對微分方程積分兩次可得：由邊界條件可得：這樣平壁的溫度分布為：熱流量：算例：一鍋爐爐墻采用密度為300kg/m3的水泥珍珠巖制作，壁厚=100mm，已知內(nèi)壁溫度t1=500,外壁溫度t2=50,求爐墻單位面積、單位時間的熱損失。解：材料的平均溫度為查表得w/(mK)=0.0651+0.000105t于是W/(mK)W/程序: y=dsolve(D2y=0,y(0)=500,y(0.1)=50) y =-4500*t+500繪圖: y =-4500*t+500;t=linspace(0,0.1,50);plot(t,y)內(nèi)熱源問題：考慮一具有均勻內(nèi)熱源的大平壁，厚度為2，平壁的兩側(cè)均為第三類邊界條件，周圍流體的溫度為，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h。由于對稱性，這里考慮平壁的一半。問題的數(shù)學描述如下。微分方程： 考慮邊界條件時，x=0處可認為是對稱條件，這樣兩個邊界條件為：對微分方程積分得： 將x=0的邊界條件代入上式可得。再將代入上式，并再次積分得:最后將x=的邊界條件代入上式可求出,得出具有均勻內(nèi)熱源的平壁內(nèi)溫度分布為：由傅里葉定律得任一位置處的熱流密度為： 由結(jié)果可知，具有均勻內(nèi)熱源的平壁溫度分布為拋物線，而不是線性的。同時，熱流密度不再是常數(shù)，而是與x成正比。上面我們分析的是第三類邊界條件下的結(jié)果，當時，這時第三類邊界條件變?yōu)榈谝活愡吔鐥l件。令時，可得到第一類邊界條件時的溫度分布為：算例：厚度為10的大平壁，通過電流時發(fā)熱率為W/m3,平壁的一個表面絕熱，另一表面暴露于25的空氣之中。若空氣與壁面?zhèn)鳠釘?shù)為50W/(K),壁的導熱系數(shù)為3W/(mK),試確定壁中的最高溫度。解：由題意： 當程序：dsolve(D2y=-104,Dy(0)=0,y(0.1)=3*104*0.1/50+25) ans = -5000*t2+135繪圖：t=linspace(0,0.1,50);y=-5000.*t.2+135;plot(t,y)以上能看出，MATLAB中有特定的函數(shù)，便于我們解決簡單的邊值問題，以減少較多計算量，使繁瑣的計算變得簡潔、明了，并且其強大的繪圖功能也便于我們直觀的看到溫度分布曲線。3MATLAB在穩(wěn)態(tài)與動態(tài)導熱過程分析中的應用熱傳遞過程主要分為穩(wěn)態(tài)傳熱與動態(tài)傳熱兩大類。描述傳熱過程的數(shù)學模型多為微分方程，要對傳熱過程進行分析研究，必須求解這些微分方程。但是只有在個別簡單的情形下可以獲得解析解；如一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程可以獲得形式較為簡單的解析解。一維動態(tài)傳熱過程在某些簡單邊界、初始條件下能獲得無窮級數(shù)解，而多數(shù)的傳熱過程則無法獲得解析解。因此對于傳熱過程的模擬研究則需要利用有限差分法、正交配置法、有限元法等數(shù)值方法求解描述傳熱過程的微分方程，這使得研究過程重復編程工作量大，效率低。隨著計算技術的發(fā)展，尤其MATLAB的發(fā)展為傳熱過程的研究分析提供了一個強有力的數(shù)值 與求解工具。利用MATLAB中的PDETOOL工具箱、BVP4C、PDEPE等命令能夠很好地求解一維穩(wěn)態(tài)導熱、二維穩(wěn)態(tài)、二維動態(tài)導熱等傳熱問題。3.1 MATLAB在穩(wěn)態(tài)導熱分析中的應用在傳熱過程的分析研究中，為了工程應用必須要達到兩個基本目的，即確定所研究傳熱問題的溫度分布和傳遞的熱流量；所以對傳熱過程的分析研究中必然要求解傳熱微分方程。對穩(wěn)態(tài)導熱過程，在直角坐標系中其導熱微分方程為： （1） 對一維穩(wěn)態(tài)導熱，當邊界條件較為復雜或者微分方程只能用柱坐標、球坐標系表示時，難以獲得解析解，如在直徑為20mm的圓管外安裝環(huán)形肋片，其表面溫度t0為260，肋片導熱系數(shù)為45W/mK，置于環(huán)境溫度t為16、對流傳熱系數(shù)h為150W/K的氣流中;要求確定肋高H為0.01m，肋厚為0.0003m環(huán)肋的溫度分布及單個環(huán)肋的散熱量。這一問題是導熱系數(shù)為常數(shù)的一維穩(wěn)定熱傳導，柱坐標表示的導熱微分方程為： （2）邊界條件為：r=r1時，t0=260(肋根)r=r2=r1+H時，（肋端絕熱）?？梢娺@是兩點邊值的常微分方程求解問題，常規(guī)方法是利用肋效率曲線圖進行計算，讀圖誤差大其計算繁瑣；若利用MATLAB求解，需將其轉(zhuǎn)化為常微分方程組的形式： （3）其中，y1表示溫度，x表示半徑；在MALTAB中建立兩個函數(shù)huanleifun.m和huanleibc.m分別確定以上常微分方程組和邊界條件。Function =huanleifun(x,y)(1)=y(2);(2)=2*150/45/0.0003*(y(1)-16)-y(2)./x;= （1）；（2）；function =huanleibc(a,b) =a(1)-260;b(2);其中，a（1）代表常微分方程組中第一個因變量y1的左邊界，b（2）代表常微分方程組中第二個因變量y2的右邊界；那么在MATLAB命令窗口中輸入以下命令：solinit=bvpinit(0.01:0.001:0.02,1,1);sol=bvp4c(huanleifun,huanleibc,solinit);plot(sol.x-0.01,sol.y(1,:)q=-45*2*pi*0.01*0.0003*sol.y(2,1);bvpinit是對常微分方程邊值問題先劃分初始網(wǎng)格，其中第一個參數(shù)是對x坐標進行的分割，第二個參數(shù)為因變量的初值，而后利用邊值問題的求解器bvp4c求解，結(jié)果賦值給變量sol,sol.x為自變量，sol.y為因變量，sol.y(1,:)則為y值，sol.y(2,:)則為y2值，所以sol.y(1,:)即為肋片上對應于不同肋片位置sol.x-0.01的溫度分布，繪圖命令為plot(sol.x-0.01,sol.y(1,:),所得溫度分布如圖1所示；而肋片的散熱量都必須要通過肋根向外傳遞，所以在肋根處的傳熱量可以根據(jù)傅里葉定律計算，即：（4）MATLAB命令為：q=-45*2*pi*0.01*0.0003*sol.y(2,1),結(jié)果為35.7581W對于二維穩(wěn)態(tài)導熱，無論在何種坐標系中其導熱微分方程通常無法得到解析解，只能采用有限差分法、正交配置法、有限元法等數(shù)值方法求解，但采用這些方法需要進行大量的編程工作，并且對于不同的導熱問題，重復編程，效率低；而MATLAB則為偏微分方程的求解提供了一功能強大的PDETOOL工具箱。如圖2所示的偏心環(huán)形空間內(nèi)表面溫度為100，外表面溫度為20；試給出其溫度分布。 在MATLAB命令窗口中輸入PDETOOL命令，啟動PDETOOL工具箱，其主界面如圖3所示，利用PDETOOL工具箱求解偏微分方程的方法步驟如下：（1）在此界面中利用Draw菜單在坐標系中畫出所研究的導熱物體的形狀，其形狀可由方形、橢圓形、圓形及任意折線組成，所以對于不規(guī)則形狀的導熱物體均可以在PDETOOL中繪制出來；（2）在PDETOOL窗口中選擇相應的邊界，由Boundary菜單中的Specify Boundary Condition選項輸入邊界條件，其邊界可以是Neumann、Dirichlet和混合邊界條件；針對本問題選擇Neumann邊界條件，其格式為Ht=R;其中在內(nèi)表面處溫度為100，則設置H=1、R=100;相應在外表面邊界上則設置H=1、R=20;此處的H、R可以是自變量和因變量的函數(shù)，所以可適用于復雜的邊界條件；（3）在PDE菜單PDE Specification 選項中定義偏微分方程的形式包括橢圓形、拋物型、雙曲型、特征型偏微分方程；對于本問題來說是二維穩(wěn)態(tài)導熱為橢圓型偏微分方程；（4）PDETOOL是利用有限元法來求解偏微分方程的，所以要對其求解區(qū)域分割三角形網(wǎng)絡，這由Mesh菜單來實現(xiàn)，分割后的網(wǎng)絡圖如圖3所示；由于三角形網(wǎng)格的大小形狀是任意的，所以它可適用于各種形狀的求解區(qū)域；（5）由Solve菜單求解偏微分方程；（6）利用plot命令將求解結(jié)果以各種類型圖（包括等值線圖、矢量圖、網(wǎng)格圖、三維圖、動畫等）的形式表示出來如圖2所示，圖2中的實線為等溫線，圖中箭頭大小表示了其溫度梯度的大小，根據(jù)圖示等溫線的疏密程度和箭頭的分布情況即可分析其熱流密度等各傳熱特性；或者由Mesh菜單中的Export Mesh和Solve菜單中的Export Solution選項導出求解網(wǎng)格的坐標和結(jié)果數(shù)據(jù)；供傳熱過程的進一步分析如傳熱量大小的分析。3.2 MATLAB在動態(tài)傳熱分析中的應用MATLAB還可以應用于動態(tài)過程，對動態(tài)導熱過程，在直角坐標系中導熱微分方程為： （5） 對于一維動態(tài)導熱，其解析解為無窮級數(shù)，十分不利于應用。如厚度為20cm鋼板溫度為20，平壁導熱系數(shù)為34.8W/m,現(xiàn)將其置于1000的爐中加熱，對流傳熱系數(shù)h=174W/,導溫系數(shù)為a=0.55510-5/s；試分析溫度分布隨時間的變化及鋼板表面溫度達到500時所需的時間和傳熱量。其導熱微分方程為： （6）初始條件為：t(x,0)=20 (7)邊界條件為：（平壁中心坐標為0，絕熱） （8）以上拋物型微分方程的解析解為一無窮級數(shù)，根據(jù)傳熱過程溫度分布的變化情況分為正規(guī)階段和非正規(guī)階段。在正規(guī)階段可以用無窮級數(shù)的第一項作為近似解，但其計算涉及到求解隱式的超越方程，過程十分繁瑣；故工程上利用哈斯勒圖進行計算，但結(jié)果誤差很大；而對非正規(guī)階段，則必須依次計算無窮級數(shù)中的各項直至達到精度為止，計算量大。若采用MATLAB求解該問題則十分快捷方便。根據(jù)拋物型微分方程的標準式： （9）式中u=u(t,x)與t=t(,x)對應，m為形狀因子，m=0,1,2分別為對應無限大平板、柱形和球形；建立偏微分方程函數(shù)pdefun.m及初始條件與邊界條件函數(shù)icbun.m與bcfun.mfunctionc,f,s=pdefun(x,t,u,dudx)c=1/0.555e-5;f=dudx;s=0;function u0=icbun(x)u0=20;functionpl,ql,pr,qr=bcfun(xl,ul,xr,ur,t)pl=0,ql=1;pr=174*(ur-1000);qr=34.8;而后對空間和時間劃分網(wǎng)格，應用pdepe命令求解該偏微分方程，其解結(jié)果存放在sol中，命令如下：x=linspace(0,0.1,20);t=0:60:2160;sol=pdepe(0,pdefun,icfun,bcfun,x,t);mesh(x,t,sol)對一個偏微分方程sol為mnl矩陣，其中第一維與時間網(wǎng)格對應，第二維與空間網(wǎng)格對應；用mesh(x,t,sol)命令可以繪出空間、時間與偏微分方程解（對本問題來講就是不同時刻不同位置的溫度）的關系如圖4所示。而用plot(x,sol(m,:,l)可以畫出在60m-60(60為時間網(wǎng)格步長)時刻導熱物體的溫度分布，如圖5所示。 以上時間網(wǎng)格設置為t=0:60:2160,所以在圖4中x方向的各條線與不同的時刻0、60s、120s、2100s、2160s共37個時刻對應；從圖中可知當傳熱時間達到500；而60s-60時刻x0處的溫度可用uout,duoutdx=pdeval(0,x,sol(m+l,:,:),x0)命令求解，其中uout為溫度，duoutdx為對應的溫度梯度；如加熱時間達到2160s時，執(zhí)行命令uout,duoutdx=pdeval(0,x,sol(37,:,:),0)可得鋼板中心溫度為371.2850。而從圖5可知鋼板加熱時間小于240s時，其溫度分布曲線隨時間而變化，故該階段傳熱的非正規(guī)階段；當加熱時間大于240s后，溫度分布形狀不再變化，進入了正規(guī)階段。將鋼板的表面溫度加熱到500整個傳熱過程為動態(tài)的，但是鋼板得到的熱量均是通過表面?zhèn)鬟f到內(nèi)部，所以只要將每一時間網(wǎng)格內(nèi)的表面?zhèn)鳠崃肯嗉蛹纯傻玫娇倐鳠崃?，而每一時間網(wǎng)格內(nèi)的傳熱量只要時間間隔足夠短就可用下式計算： （10）其中，m為時間網(wǎng)格數(shù)，n應為鋼板表面處的網(wǎng)格節(jié)點，由于空間網(wǎng)格劃分為x=linspace(0,0.1,20)共有21個節(jié)點，節(jié)點n=21即代表鋼板表面；由以下程序即可求得總傳熱量Q=-2.4797108J。q=0;for m=1:36 %36為時間網(wǎng)格數(shù)（不含零時刻）q=q+174*(sol(m,21,1)+sol(m+1,21,1)/2-1000)*60;end對于二維動態(tài)導熱，同樣可用PEDTOOL工具箱求解。如有一磚砌變長為1m煙氣通道，其中心有一直徑為0.5m的管道。已知煙氣通道原溫度為25，零時刻開始內(nèi)外壁溫分別維持在80、25，磚的導熱系數(shù)為1.5W/m，導溫系數(shù)為0.00001W/m,試確定:(1) 該通道的溫度分布隨時間的變化;(2) 傳熱穩(wěn)定后距離任意相鄰兩直角邊各0.1m處的溫度； （3）傳熱穩(wěn)定后每米長煙道上的散熱量。本問題為二維動態(tài)導熱過程，其微分方程為： （11）通過solve菜單parameters選項可對時間網(wǎng)格及初始條件進行設置，時間網(wǎng)格設置為0：100：8000即從零時刻開始計算到8000s，時間間隔為100s；初始溫度設置為25。將PDETOOL計算的網(wǎng)格數(shù)據(jù)p,e,t和因變量即溫度結(jié)果（保存于u矩陣中）導出，其中u為nm矩陣,其中第一維與網(wǎng)格節(jié)點對應,第二維與時間網(wǎng)格對應;由命令pdemesh(p,e,t,u(:m)即可繪制出100m-100s時刻的溫度分布圖，如圖6所示。其中x、y為煙道界面的坐標，t為溫度；圖6中分別是t=0s、100s、300s、600s、1000s、2000s、5000s、8000s時刻的溫度分布圖，從圖中可看出溫度分布的變化情況，可見在5000s之后溫度分布已不再隨時間變化。若將8000s的溫度分布視為穩(wěn)定的溫度分布，則2000s時的溫度分布與之相對誤差為2.44%，而5000s后的溫度分布完全可以認為進入穩(wěn)定傳熱階段。那么要求其中任一點的溫度，則必須將三角形網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為直角坐標網(wǎng)格，由于煙道為邊長1m的方形管道，在利用PDETOOL求解時是以坐標零點為中心，所以其求解域為x,y-0.5,0.5;因此利用以下程序及網(wǎng)格轉(zhuǎn)化命令tri2grid將三角形網(wǎng)格p,t上解u轉(zhuǎn)化為直角網(wǎng)格x,y上的解uxy;x=-0.5:0.05:0.5;y=-0.5:0.05:0.5;uxy=tri2grid(p,t,u(:,81),x,y);而后利用二維插值函數(shù)interp2求出對應位置的溫度，距離任意相鄰兩直角邊各0.1m處直角坐標為（0.4，0.4），所以插值命令為interp2(x,y,uxy,0.4,0.4),得到溫度為29.9。傳熱穩(wěn)定后的散熱量若根據(jù)內(nèi)外兩面的溫度差來計算，由于其傳熱面和熱傳遞路徑復雜無法直接計算，傳熱學中其計算采用形狀因子法，針對不同形狀的導熱物體其形狀因子也不相同，在應用中具有一定的局限性；而利用MATLAB數(shù)值模擬則克根據(jù)溫度分布直接求得傳熱量，因為傳遞的熱量必然通過外表面，其傳熱量只需將表面處各節(jié)點的一階倒數(shù)與節(jié)點間的傳熱面積、導熱系數(shù)相乘即可得到傳熱量。 （12）根據(jù)本題由于煙道外表面的四面對稱，計算其中一面再乘以4倍即為總傳熱量；命令如下：dudx=(uxy(2,:)-uxy(1,:)/(x(2)-x(1)q=1.5*0.05*sum(dudx)*4根據(jù)表面處溫度分布求得的差商近似代替表面處的每一網(wǎng)格內(nèi)的溫度梯度dudx，而每個網(wǎng)格的長度為0.05，所以每米煙道上每一網(wǎng)格的傳熱面積均為0.05，由此計算出傳熱量為675W/m，而根據(jù)傳熱學形狀因子計算方法得每米煙道散熱量為672.8W/m。4小結(jié)傳熱學是一門基于理論計算和實驗的傳統(tǒng)學科，以往對傳熱學的研究中，實驗是一種最常用也最重要的手段。但是，由于傳熱學學科的自身參數(shù)多、傳熱情況復雜的特點，實驗的設計和進行存在許多困難。相似原理的提出，雖對實驗研究的簡化起到了決定性的作用，但計算公式和修正系數(shù)的確定，任需要進行大量實驗及煩瑣的計算。MATLAB等計算軟件的廣泛應用為計算傳熱學的發(fā)展和傳熱學的研究提供了十分便利的條件。與以往的研究模式相比，實踐證明，使用MATLAB能方便高效地對已建立的模型及復雜的方程組進行數(shù)值計算和模擬仿真，同時其強大的圖形句柄功能為使結(jié)果可視化、直觀化和形象化提供了方便。也可以對模擬結(jié)果用于實驗進行驗證，這就大大縮短了研究時間，減少了實驗次數(shù)，這也為提高研究的經(jīng)濟性提供了有效的途徑。另一方面，MATLAB軟件在傳熱學研究中已經(jīng)得到了廣泛的應用，同時促進了本學科的發(fā)展。隨著MATLAB自身的不斷發(fā)展和完善下，筆者認為，其在傳熱學的理論研究和工程應用方面都將發(fā)揮更大的作用。參考文獻1許國良，王曉墨，鄔田華，陳維漢. 工程傳熱學. 北京：中國電力出版社，2005.82（德）夸特羅尼，（德）色拉瑞著；李敏波譯.MATLAB科學計算. 北京：清華大學出版社，2005.1.書名原文：Scientific Computing with MATLAB(國外計算機科學經(jīng)典教材)3魏巍. MATLAB應用數(shù)學工具箱技術手冊. 北京：國防工業(yè)出版社，2004.1.4祝用華，趙慧，浦健，張奕. 綜述應用MATLAB軟件求解導熱和對流問題.企業(yè)技術開發(fā)，2008.2：6367.5葉長桑.MATLAB在穩(wěn)態(tài)與動態(tài)導熱過程分析中的和應用.計算機與應用化學，2006.10.28：986990.6許波，劉征.MATLAB工程數(shù)學應用. 北京：清華大學出版社，2000.7李燦，高彥棟，黃素逸.導熱問題的MATLAB數(shù)值計算.華中科技大學學報（自然科學版），2002.9.8姚東，王愛民，馮峰，王朝陽.MATLAB命令大全.人民郵電出版社.北京：2000.6.9陶文銓.數(shù)值傳熱學（第2版）.西安：西安交通大學出版社，2001.襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅