数学物理方程篇·第二章 / 2.6
换热杆与长方体中的应用
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26 一端绝热一端换热:根由超越方程决定
原书例3:,、,,。这里已经包含导热系数的归一化,单位是长度的倒数。
空间解,绝热端给,右端给
对,无零模态;第个正根,。用连续行列式检查,比随意除以更稳妥。此例确实不允许,才可用正切形式。
图 P2-11 换热边界的频率由z·tan z与hl的交点确定当前hl=0.3,首根在(0,π/2),下一根在(π,3π/2)。每一根都在正切的极点左侧。
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27 Robin系数的模平方要算,长期由最小根控制
令,特征函数。模平方
最后一步用了。解为
对足够好的初值,所有温度模态衰减,长期趋零;最小根决定最慢衰减。时出现接近零的根,恢复两端绝热的平均温度模态;时根趋向,趋近右端固定零温度的混合边界谱。不能把有限的特征函数直接换成整数余弦。
图 P2-12 热方程高频衰减更快,绝热平均值保持当前高频系数=0.6000,低频系数=1.0000,总热量保持为2π。
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28 绝热杆:热量不丢失,常数模态不会衰减
对,,初温,解为
积分方程也可直接看出。长期趋于初温平均值,不是零。若只背而忘记,就会得到与守恒矛盾的结论。
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29 三维长方体电势:分离后出现双重级数
原书例4:于,除顶面外五面零电势,顶面。设,横向两组固定零边界给
,底面,用归一化因子最省事。因此
这里是空间,不是时间,故双曲正弦没有热衰减的含义。顶面边缘若和其余面数据不相容,需注意棱边处的连续性。
图 P2-13 两个横向正弦相乘,第三方向用双曲正弦匹配顶面顶面网格只表示双变量边界数据;每个横向模态各有一个归一化的竖向因子。
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30 矩形膜和二维热方程:只更换时间方程
矩形四边固定零,空间函数同样是正弦乘积,特征值。
波动问题每项时间因子为;热问题每项为。系数投影都用的双积分。
一个空间谱可以服务不同物理方程,时间行为由原来的时间导数决定。 这一步直接覆盖原书习题12(2)(3),无需从头背两套互不相关的公式。