УМК
.PDF
|
∂ U (0, t) = h [ U (0, t) - ψ1 (t)] , |
|
|
|
∂ x |
|
|
|
∂ U (l, t) |
= − h [ U (l, t) - ψ2 (t)] , |
t > 0. |
|
|
||
|
∂ x |
|
|
На концах стержня имеем граничные условия третьего рода. |
|||
Если коэффициент теплообмена |
α значительно больше коэффициента |
внутренней теплопроводности k ( α >> k ), то граничные условия задачи г) переходят в граничные условия а). Если же, наоборот, α пренебрежимо мало ( α → 0 ), то граничные условия задачи г) превращаются в граничные условия задачи б), где Q1 (t) = Q2 (t) = 0 , то есть мы приходим к случаю тепловой изоляции концов стержня.
2.23 РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МЕТОДОМ ФУРЬЕ
Здесь будет показано применение метода Фурье к решению задач о распространении тепла в ограниченном стержне в случае однородного и неоднородного уравнения теплопроводности при различных граничных условиях.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 2.46. Дана тонкая однородная проволока длиной l = 3, теплоизолированная от окружающей среды. Начальная температура определена по
закону f (x) = 3x − x 2 . На концах проволоки поддерживается нулевая темпера-
тура. Найти распределение температуры U(x, t) в проволоке. (Принять коэффициент температуропроводности a равным 4).
Решение. Искомая функция удовлетворяет уравнению
∂U |
= 16 |
∂2 U |
, 0 |
< x < 3, t > 0 , |
|
∂t |
∂x 2 |
||||
|
|
|
граничным условиям
U(0, t) = 0, U(3, t) = 0, t > 0
и начальному условию
U(x,0) = 3x − x 2 , 0 ≤ x ≤ 3.
Решение сформулированной задачи – однородного уравнения теплопроводности с однородными граничными условиями, как установлено в п.6, определяется рядом (2.90)
|
72 |
∞ |
1 |
|
− |
16(2n+1) |
2 π2t |
Sin |
π(2n +1) |
U(x, t) = |
∑ |
|
|
|
|||||
|
|
|
9 |
|
x . |
||||
π3 |
(2n +1)3 e |
|
|||||||
|
n=0 |
|
|
|
|
3 |
Чтобы найти численные значения искомой функции U(x, t) необходимо протабулировать полученное решение.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 2.47. Начальная температура однородного стержня длины l равна U 0 = const , на его концах поддерживается постоянная температура: в
точке x = 0 U = U1 , в точке x = l U = U 2 . Найти закон распределения температуры U(x, t), предполагая, что стенки стержня теплоизолированы и что внутри него происходит свободный теплообмен.
Решение. Задача сводится к решению уравнения
∂ U = a 2 ∂2 U |
, 0 < x < l , t > 0 |
|
∂ t |
∂ x 2 |
|
при неоднородных граничных и начальном условиях
U(0, t) = u1 , U(l, t) = u2 , |
t > 0, |
U(x,0) = U0 , |
0 ≤ x ≤ l , |
Решение первой краевой задачи в случае ненулевых граничных условий будем искать в виде ряда Фурье по собственным функциям sin nπx :
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
∞ |
|
|
|
|
U (x, t) = ∑ Tn (t) Sin πnx |
(2.93) |
||||
|
|
|
n =1 |
l |
|
|
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
l |
πnx dx , |
|
|
Tn |
(t) = |
∫ U (x, t) Sin |
(2.94) |
|||
|
||||||
|
|
l |
0 |
l |
|
считая при этом t параметром. Займемся определением функций Tn (t). Интегрируя дважды по частям, получим
T (t) = |
2 |
[U (0, t) − (−1)n U (l, t) ]− |
2l |
l |
∂2 U Sin πnx dx . |
|
|
|
∫ |
||||
n |
πn |
|
π2 n 2 |
∂ x 2 |
l |
|
|
|
0 |
∞ |
|
sin n πx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
π(l − x) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
∑ |
|
|
l |
= |
|
|
при |
0 < x < 2l , |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
n =1 |
|
n |
|
|
2l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
(−1)n −1 sin n |
πx |
|
= πx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
∑ |
|
|
|
|
|
|
|
l |
при |
− l < x < l . |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
n =1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Тогда окончательно имеем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
U(x, t) = U1 + (U 2 − U1 ) |
x |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
∞ (−1)n U |
2 |
− U |
1 |
|
+ [(−1)n |
−1]U |
0 |
|
|
n a |
|
2 |
|
n x |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
π |
|
|
π |
|||||||
+ |
|
|
∑ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
exp − |
|
|
|
t sin |
|
. |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
π n=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
l |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Примечание. При решении данной задачи был использован подход к решению общей первой краевой задачи, когда на концах стержня задан произвольный температурный режим U1 = U1 (0, t) и U 2 = U 2 (l, t). Возможен другой подход, который используется при решении уравнения с неоднородными граничными условиями: искомая функция U(x, t) складываются из двух
функций
U(x, t) = v(x, t) + w(x, t),
где w(x, t) удовлетворяет ненулевым граничным условиям данной задачи, а v(x, t) − нулевым граничным условиям. В качестве w(x, t) выбирается какая угодно, но по возможности более простая функция, например, линейная отно-
сительно x
w(x, t) = α(t) + β(t) − α(t) x . l
Так, функция w(x, t) = U1 + (U 2 − U1 ) x удовлетворяет данным граничным l
условиям. В самом деле, w(0, t) = U1 , w(l, t) = U 2 . Метод разделения пере-
менных Фурье состоит в том, чтобы определить функцию v(x, t), которая удовлетворяет основному уравнению, нулевым граничным условиям и совместно с функцией w(x, t) начальному условию. Метод Фурье не определяет функцию w(x, t), она подбирается.
Покажем такой подход при решении следующей задачи.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 2.48. В конечном стержне 0 ≤ X ≤ 1 с теплоизолированной поверхностью действуют источники тепла по закону f (x, t) = t (x + 1) . На левом
конце стержня задан тепловой поток Q(t) = t2 , температура правого конца из-
меняется по закону ϕ(t) = t2 . Начальная температура стержня нулевая. Найти закон изменения температуры ( t > 0).
Решение. Имеем смешанную задачу для неоднородного уравнения параболического типа
∂ U |
− |
∂2 U |
= t (x +1), |
0 ≤ x ≤ 1, t > 0, |
(2.99) |
|
∂ t |
∂ x 2 |
|||||
|
|
|
|
|||
при начальном условии U(x,0) = 0 и граничных условиях |
|
|||||
|
|
∂U(0, t) = t2 и |
U(1, t) = t2 . |
(2.100) |
||
|
|
∂ x |
|
|
||
Решение искомой задачи будем искать в виде |
|
|||||
|
|
U(x, t) = v (x, t) + w (x, t) . |
(2.101) |
Подберем сначала функцию w , удовлетворяющую граничным условиям
(2.100). Пусть, например, w = x t2 . Очевидно, что эта функция удовлетворяет данным граничным условиям (2.100):
∂w(0, t) = t 2 , w(1, t)= t 2 |
|
|||
∂x |
|
|
||
и начальному условию w(x,0)= 0 . |
|
|||
Тогда функция |
|
|
|
|
v = U − x t 2 |
(2.102) |
|||
удовлетворяет уравнению |
|
|
|
|
∂ v − |
∂2 v |
= t (1 − x) , |
(2.103) |
|
∂ x2 |
||||
∂ t |
|
|
||
однородным граничным условиям |
|
|
||
∂v(0, t) = 0 |
и v(1, t) = 0 |
(2.104) |
||
∂ x |
|
|
|