有限差分网格间距和缩放

计算科学 有限差分 网格 传播热量
2021-12-04 04:31:28

我一直在使用二维热方程探索有限差分和热传递,以进一步扩展我的知识。到目前为止,我认为进展顺利。

对于有限差分法,我在网格间距方面遇到了一些困惑。

基本上,如果我有一块 100 毫米 x 100 毫米的金属板,那么建立一个 1 毫米的网格间距似乎很自然,这将产生 100 x 100 个节点左右(我还没有完全探索不同的网格空间,看看什么效果最好)。如果我运行模拟,我会在给定初始条件的特定时间后得到我期望的结果。在时间 t,系统已经进化到某个状态。

现在,我想尝试一个更大的金属板,由完全相同的材料制成,具有完全相同的特性。唯一的区别是它更大,1m x 1m。对于这个印版,我会在 1 厘米处建立网格间距,从而产生相同数量的音符,即 100 x 100。我在这里可能很天真,但我看不出比例会如何影响有限差异。我预计该板块需要更长的时间才能达到与较小板块相同的状态(或非常接近,前提是初始条件和边界条件相同)。但从我的计算来看,事实并非如此。我可能会遗漏一些东西,并会感谢任何指向相关文献的指针。

编辑:

出于这个问题的目的,在边界处定义了恒定的热源,没什么特别的。这确实是一个非常基本的问题定义。我已经将值设置为 1,这样我就可以研究算法了。我没有注意它定义的单位。α

我认为我的问题与用于定义间距的单位有关。在最初的问题中,我的单位是毫米。我真的应该更加关注用于定义热容量、材料密度和热导率的单位。它们是用米定义的。对我来说,这意味着我需要以米为单位定义网格间距。这会给我我正在寻找的差异。例如,100mm x 100mm 的第一块板的间距为 1mm = 0.001m。1m x 1m 的第二块板的间距为 1 cm = 0.01m。

这个逻辑正确吗?

2个回答

假设以下一维热瞬态传热方程:

Tt=α2Tx2

如果我们使用显式时间方案对其进行有限差分近似,我们得到:

Tit+ΔtTitΔt=α(Δx)2(Ti1t2Tit+Ti+1t)

如您所见,您将在一个时间步中获得的扩散将与:成正比。因此,如果您增加域的大小,则会更大(如果您使用相同数量的点)。因此,在单个时间步中,温度的扩散将不那么明显,因为您的有限差分方案的扩散项会更小。Δtα(Δx)2Δx

对功能的一个很好的理解dt,dxα如果您查看热方程的稳定性分析,则可以开发离散 PDE。这是一个这样的教程的链接我希望它会有所帮助。