Уравнения математической физики. Уравнение теплопроводности. Хуснутдинов Н.Р. - 2 стр.

UptoLike

Составители: 

u
t
(x, t) a
2
u
′′
xx
(x, t) = U(x, t).
[u] = [ ] ,
[U] =
,
a
2
=
k
=
2
.
k, c, ρ
/ · /
/
3
u(x, 0) = f(x).
h
0
(u(0, t) T
0
) = k
0
u
x
(0, t),
h
l
(u(l, t) T
l
) = k
l
u
x
(l, t).
u(x, t) v(x, t)
u(x, t) = v(x, t) + α + βx
α β
h
0
(α T
0
) = k
0
β,
h
l
(α + βl T
l
) = k
l
β.
α =
h
0
(k
l
+ lh
l
)T
0
+ h
l
k
0
T
l
h
0
(lh
l
+ k
l
) + h
l
k
0
,
β =
h
0
h
l
(T
l
T
0
)
h
0
(lh
l
+ k
l
) + h
l
k
0
.
α β v(x, t)
v
t
(x, t) a
2
v
′′
xx
(x, t) = V (x, t) = U(x, t) α
t
β
t
x,
v(x, 0) = F (x) = f(x) α(0) β(0)x,
h
0
v(0, t) = k
0
v
x
(0, t),
h
l
v(l, t) = k
l
v
x
(l, t).
V (x, t) = 0
U(x, t)α
t
β
t
x = 0
v
λ
(x, t) = e
λ
2
a
2
t
(A
λ
cos λx + B
λ
sin λx),
λ 0 λ
A
λ
B
λ
v
λ
λ = λ
n
tg λ
n
l =
c
0
n
+ c
l
n
1 c
0
n
c
l
n
,
v
n
(x, t) = A
n
e
λ
2
n
a
2
t
(cos λ
n
x + c
0
n
sin λ
n
x),
1 Óðàâíåíèå òåïëîïðîâîäíîñòè                                                              β    =
                                                                                                       h0 hl (Tl − T0 )
                                                                                                                           .
                                                                                                    h0 (lhl + kl ) + hl k0
Îäíîìåðíîå óðàâíåíèå òåïëîïðîâîäíîñòè
                                                                         Äëÿ òàêèõ çíà÷åíèé α è β ïîëó÷àåì, ÷òî óíêöèÿ v(x, t) óäîâëå-
                   u′t (x, t) − a2 u′′xx (x, t) = U (x, t).           òâîðÿåò óðàâíåíèþ òåïëîïðîâîäíîñòè ñ èçìåíåííîé ïðàâîé ÷àñòüþ
àçìåðíîñòè:                                                                   vt′ (x, t) − a2 vxx
                                                                                                ′′
                                                                                                   (x, t) = V (x, t) = U (x, t) − α′t − βt′ x,   (2)
               [u] =   [Äæ]  Òåìïåðàòóðà,                            íà÷àëüíîìó óñëîâèþ
                         Äæ
                            
            [U ] =              Ìîùíîñòü èñòî÷íèêîâ,                                  v(x, 0) = F (x) = f (x) − α(0) − β(0)x,                   (3)
                         ñåê
                                 ì
                          2
            2          k                                            è îäíîðîäíûì ãðàíè÷íûì óñëîâèÿì
            a   =            =      .
                         cρ     ñåê
                                                                                              h0 v(0, t) =         k0 vx′ (0, t),
Çäåñü k, c, ρ  êîýèöèåíò âíóòðåííåé òåïëîïðîâîäíîñòè ñ ðàçìåð-
íîñòüþ Äæ/ì · ñåê, óäåëüíàÿ òåïëîåìêîñòü ñ ðàçìåðíîñòüþ Äæ/êã,                                 hl v(l, t) =        −kl vx′ (l, t).               (4)
îáúåìíàÿ ïëîòíîñòü ñ ðàçìåðíîñòüþ êã/ì3 , ñîîòâåòñòâåííî.
   Íà÷àëüíîå óñëîâèå (íà÷àëüíîå ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóðû):           1.1   Îòñóòñòâèå âíåøíèõ èñòî÷íèêîâ:                           V (x, t) = 0.
                             u(x, 0) = f (x).                         Òàêàÿ ñèòóàöèÿ ðåàëèçóåòñÿ, åñëè U (x, t)−α′t −βt′ x = 0.  ýòîì ñëó÷àå
                                                                      óðàâíåíèå (2) ÿâëÿåòñÿ îäíîðîäíûì è åãî ÷àñòíîå ðåøåíèå ìåòîäîì
    ðàíè÷íûå óñëîâèÿ                                                  Ôóðüå èìååò ñëåäóþùèé âèä:
                  h0 (u(0, t) − T0 )    = k0 u′x (0, t),       (1a)                  vλ (x, t) = e−λ
                                                                                                      2 2
                                                                                                       a t
                                                                                                             (Aλ cos λx + Bλ sin λx),
                   hl (u(l, t) − Tl )   =    −kl u′x (l, t).   (1b)
                                                                      ñ λ ≥ 0. åøåíèå íóìåðóåòñÿ ÷èñëîì λ è çàâèñÿò îò äâóõ ïðîèç-
Ýòè óñëîâèÿ ÿâëÿþòñÿ íåîäíîðîäíûìè. ×òîáû ñäåëàòü óñëîâèÿ îä-         âîëüíûõ ïîñòîÿííûõ Aλ è Bλ . Ïîñêîëüêó óíêöèÿ v óäîâëåòâîðÿåò
íîðîäíûìè ââåäåì íîâóþ óíêöèþ u(x, t) → v(x, t) ïî ïðàâèëó           îäíîðîäíûì ãðàíè÷íûì óñëîâèÿì, òî îáùåå ðåøåíèå ìîæíî ïðåä-
                                                                      ñòàâèòü â âèäå ñóïåðïîçèöèè âûøåïðèâåäåííûõ ðåøåíèé. Âíà÷àëå
                       u(x, t) = v(x, t) + α + βx                     íåîáõîäèìî íàéòè ñïåêòð âîçìîæíûõ çíà÷åíèé λ.
è ïîä÷èíèì óíêöèè α è β óñëîâèÿì                                        Èç ãðàíè÷íûõ óñëîâèé (4) ïîëó÷àåì, ÷òî ñïåêòð ñîáñòâåííûõ çíà-
                                                                      ÷åíèé, λ = λn , ïîä÷èíÿåòñÿ òðàíñöåíäåíòíîìó óðàâíåíèþ
                            h0 (α − T0 ) =       k0 β,
                                                                                                                 c0n + cln
                       hl (α + βl − Tl ) =       −kl β.                                            tg λn l =                 ,                   (5)
                                                                                                                 1 − c0n cln
Îòñþäà
                                                                      à ðåøåíèÿ èìåþò ñëåäóþùèé âèä
                            h0 (kl + lhl )T0 + hl k0 Tl                                                 2    2
                   α    =                               ,                           vn (x, t) = An e−λn a t (cos λn x + c0n sin λn x),
                              h0 (lhl + kl ) + hl k0

                                  3                                                                       4