Уравнения математической физики. Уравнение теплопроводности. Хуснутдинов Н.Р. - 8 стр.

UptoLike

Составители: 

φ
n
(t) = sin
πxn
l
Φ
n
= l/2
T
n
(0) = A
n
=
2
l
Z
l
0
(T T
0
(T
l
T
0
)
x
l
) sin
πnx
l
dx
=
2[1 (1)
n
](T T
0
)
πn
+
2(1)
n
(T
l
T
0
)
πn
.
V (x, t) = U
V (x, t) =
X
n=1
φ
n
(x)γ
n
,
γ
n
=
1
Φ
n
Z
l
0
φ
n
(x)V (x, t)dx =
2U
l
Z
l
0
sin
πxn
l
dx
=
2U(1 (1)
n
)
πn
.
T
n
(t) = e
λ
2
n
a
2
t
T
n
(0) +
Z
t
0
e
λ
2
n
a
2
(tτ )
γ
n
= A
n
e
λ
2
n
a
2
t
+ γ
n
1 e
λ
2
n
a
2
t
λ
2
n
a
2
,
u(x, t) = T
0
+ (T
l
T
0
)
x
l
+
X
n=1
(A
n
e
λ
2
n
a
2
t
+ γ
n
1 e
λ
2
n
a
2
t
λ
2
n
a
2
) sin
πxn
l
.
t
lim
t→∞
u(x, t) = T
0
+ (T
l
T
0
)
x
l
+
X
n=1
γ
n
λ
2
n
a
2
sin
πxn
l
.
X
n=1
γ
n
λ
2
n
a
2
sin
πxn
l
=
U
2a
2
(l x)x.
lim
t→∞
u(x, t) = T
0
+ (T
l
T
0
)
x
l
+
U
2a
2
(l x)x.
x
(T
l
T
0
)
1
l
+
U
2a
2
(l 2x) = 0.
x
max
l
=
T
l
T
0
+
Ul
2
2a
2
Ul
2
a
2
.
u(x
max
, t)
t→∞
=
(2T
l
+
Ul
2
a
2
)
2
+ 4T
0
(T
0
2T
l
+
Ul
2
a
2
)
8
Ul
2
a
2
.
t
=
l
2
2
a
2
T
l
/t
U, T
i
, T
0
, t, x
u(x, t)/T
l
= T
0
+ (1 T
0
)x
+
X
n=1

2[1 (1)
n
](T
i
T
0
)
πn
+
2(1)
n
(1 T
0
)
πn
e
n
2
t
+
2U(1 (1)
n
)
πn
3
(1 e
n
2
t
)
sin πnx.
ãäå φn (t) = sin πxn
                  l , Φn = l/2, è                                                                 Ïîñëåäíÿÿ ñóììà âû÷èñëÿåòñÿ òî÷íî:
                                                                                                                       ∞
                             2 l                      x      πnx                                                          γn       πxn   U
                               Z                                                                                      X
      Tn (0) = An       =         (T − T0 − (Tl − T0 ) ) sin     dx                                                       2 a2
                                                                                                                               sin     = 2 (l − x)x.
                             l 0                      l       l                                                          λ
                                                                                                                      n=1 n
                                                                                                                                    l   2a
                             2[1 − (−1)n ](T − T0 ) 2(−1)n (Tl − T0 )
                        =                          +                  .                           Òàêèì îáðàçîì, ïîëó÷àåì ïðåäåëüíîå ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóðû:
                                      πn                     πn
  Ïðåäñòàâèì óíêöèþ V (x, t) = U â âèäå ðàçëîæåíèÿ ïî òåì æå                                                                                    x   U
                                                                                                                lim u(x, t) = T0 + (Tl − T0 )      + 2 (l − x)x.
óíêöèÿì                                                                                                        t→∞                              l  2a
                              ∞
                   V (x, t) =
                              X
                                φn (x)γn ,                                                        Íà êîíöàõ ñòåðæíÿ íåò äîïîëíèòåëüíîãî âêëàäà, è ðàñïðåäåëåíèå
                                              n=1
                                                                                                  òåìïåðàòóðû èìååò âèä ïàðàáîëû. ×òîáû íàéòè òî÷êó ñ ìàêñèìàëü-
ãäå                                                                                               íîé òåìïåðàòóðîé âû÷èñëèì ïðîèçâîäíóþ ïî x îò âûøåïðèâåäåííîé
                                                                                                  îðìóëû è ïðèðàâíÿåì íóëþ:
                            Z l
                         1                         2U l     πxn
                                                      Z
          γn     =              φn (x)V (x, t)dx =      sin     dx                                                               1  U
                        Φn 0                        l 0      l                                                         (Tl − T0 ) + 2 (l − 2x) = 0.
                                                                                                                                 l 2a
                        2U (1 − (−1)n )
                 =                      .                                                         Îòñþäà íàõîäèì êîîðäèíàòó òî÷êè ñ ìàêñèìàëüíîé òåìïåðàòóðîé:
                              πn
Òàêèì îáðàçîì,                                                                                                             xmax   Tl − T0 +       Ul2
                                                                                                                                                  2a2
                                                                                                                                =      Ul2
                                                                                                                                                        .
                                                     Z    t                                                                  l          a2
                              −λ2n a2 t                           −λ2n a2 (t−τ )
               Tn (t)   = e               Tn (0) +            e                    γn dτ
                                                      0                                           Òåìïåðàòóðà ñòåðæíÿ â ýòîé òî÷êå
                                                                      2   2
                                  −λ2n a2 t        1 − e−λn a t
                        = An e                + γn              ,                                                                      Ul2 2                       Ul2
                                                      λ2n a2                                                                  (2Tl +   a2 )    + 4T0 (T0 − 2Tl +   a2 )
                                                                                                           u(xmax , t)t→∞ =                         2                     .
                                                                                                                                                 8 Ul
                                                                                                                                                   a2
è ðåøåíèå èìååò ñëåäóþùèé âèä:
                                        x                                                            Äëÿ ÷èñëåííîãî àíàëèçà óäîáíî èçìåðÿòü âðåìÿ â åäèíèöàõ t∗ =
        u(x, t)      = T0 + (Tl − T0 )                                                            l /π 2 a2 , äëèíó â åäèíèöàõ äëèíû ñòåðæíÿ, ìîùíîñòü èñòî÷íèêà â
                                                                                                  2
                                         l
                        ∞                               2 2                                       åäèíèöàõ Tl /t∗ , à òåìïåðàòóðó â åäèíèöàõ òåìïåðàòóðû ïðàâîãî êîí-
                       X           2 2         1 − e−λn a t       πxn                             öà.  ýòèõ åäèíèöàõ U, Ti , T0′ , t, x ÿâëÿþòñÿ áåçðàçìåðíûìè âåëè÷è-
                     +     (An e −λn a t
                                          + γn      2  2
                                                            ) sin     .                    (11)
                       n=1
                                                  λn a             l                              íàìè, è ìû ïîëó÷àåì ðàñ÷åòíóþ îðìóëó:
Êàêîå ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóðû óñòàíîâèòñÿ â ñòåðæíå ïî èñòå-                                    u(x, t)/Tl   = T0 + (1 − T0 )x
÷åíèè äîñòàòî÷íî áîëüøîãî âðåìåíè? Äëÿ îòâåòà íà ýòîò âîïðîñ âû-                                                  ∞ 
                                                                                                                        2[1 − (−1)n ](Ti − T0 ) 2(−1)n (1 − T0 )
                                                                                                                                                                 
                                                                                                                                                                      2
÷èñëèì ïðåäåë t → ∞ â îðìóëå (11). Ïîëó÷èì
                                                                                                                 X
                                                                                                               +                               +                   e−n t
                                                                                                                 n=1
                                                                                                                                  πn                   πn
                                                              ∞
                                                    x X γn           πxn                                         2U (1 − (−1)n )
                                                                                                                                             
           lim u(x, t) = T0 + (Tl − T0 )             +           sin     .                                     +
                                                                                                                                          2
                                                                                                                                 (1 − e−n t ) sin πnx.
          t→∞                                       l n=1 λ2n a2      l                                                πn 3



                                           15                                                                                    16