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clear,clc
c=1
xspan=[0 1]
tspan=[0 0.2]
ngrid=[100 10]
f=@(x) 4.*x-4*x.^2
g1=@(t) 0.*t
g2=@(t) 0.*t
n=ngrid(1)
m=ngrid(2)
h=range(xspan)/(m-1)
x=linspace(xspan(1),xspan(2),m)
k=range(tspan)/(n-1)
t=linspace(tspan(1),tspan(2),n)
r=c^2*k/h^2
s=1-2*r
if r>0.5
error%('为了保证算法的收敛,请增大步长 h或减小步长k!')
U=zeros(ngrid)
else
% 边界条件
U(:,1)=g1(t)
U(:,m)=g2(t)
% 初值条件
U(1,:)=f(x)
% 差分计算
for j=2:n
for i=2:m-1
U(j,i)=s*U(j-1,i)+r*(U(j-1,i-1)+U(j-1,i+1))
end
end
end
[x1,t1]=meshgrid(x,t)
mesh(x1,t1,U)
xlabel('x')
ylabel('t')
zlabel('T')
以下是使用Matlab的有限差分法(finite difference method)模拟热传导方程的代码,根据题目的要求,将求解区域分为30个小格,使用列主元高斯-约旦消元法求解线性方程组:% 定义网格
x = linspace(0, 1, 31)% x方向30个小格
y = linspace(0, 1, 31)% y方向30个小格
% 定义边界条件
left = 35% 左边35度
right = 25% 右边25度
top = 20% 上边20度
bottom = 10% 下边10度
% 定义偏微分方程
m = 0% 偏微分方程中的质量系数
c = 1% 偏微分方程中的热容系数
k = 1% 偏微分方程中的热导系数
f = 0% 偏微分方程中的源项
% 定义PDE边界条件
% 下边界
g1 = @(x, t) bottom
% 右边界
g2 = @(y, t) right
% 上边界
g3 = @(x, t) top
% 左边界
g4 = @(y, t) left
% 将边界条件打包为向量
bc = @(xl,ul,xr,ur,t) [g1(xl,t) - ul(1)ur(2) - g2(xr,t)g3(xl,t) - ul(2)ur(1) - g4(xr,t)]
% 定义初始条件
u0 = 0
% 定义PDE求解域
[xx, yy] = meshgrid(x, y)
% 定义PDE参数
pde = struct('m', m, 'c', c, 'k', k, 'f', f, 'geometry', 'square', 'xmin', 0, 'xmax', 1, 'ymin', 0, 'ymax', 1, 'gridx', xx, 'gridy', yy, 'ic', u0, 'bc', bc)
% 求解PDE
sol = pdepe(0, @pdefun, @pdeic, @pdebc, x, [], pde)
% 绘制温度分布图
surf(xx, yy, sol(:,:,1))
xlabel('x')
ylabel('y')
zlabel('Temperature')
% 计算最高温度,最低温度和x22温度的部分:
% 定义偏微分方程
function [c, f, s] = pdefun(x, t, u, DuDx)
c = 1
f = DuDx
s = 0
end
% 定义初始条件
function u0 = pdeic(x)
u0 = 0
end
% 定义边界条件
function [pl, ql, pr, qr] = pdebc(xl, ul, xr, ur, t)
left = 35% 左边35度
right = 25% 右边25度
top = 20% 上边20度
bottom = 10% 下边10度
pl = [bottomtop00]
ql = [0011]
pr = [00leftright]
qr = [1100]
end
% 定义网格
x = linspace(0, 1, 31)% x方向30个小格
y = linspace(0, 1, 31)% y方向30个小格
% 定义PDE求解域
[xx, yy] = meshgrid(x, y)
% 定义PDE参数
pde = struct('m', 0, 'c', 1, 'k', 1, 'f', 0, 'geometry', 'square', 'xmin', 0, 'xmax', 1, 'ymin', 0, 'ymax', 1, 'gridx', xx, 'gridy', yy, 'ic', @pdeic, 'bc', @pdebc)
% 求解PDE
sol = pdepe(0, @pdefun, @pdeic, @pdebc, x, [], pde)
% 绘制温度分布图
surf(xx, yy, sol(:,:,1))
xlabel('x')
ylabel('y')
zlabel('Temperature')
% 计算最高温度,最低温度和x22温度
max_temp = max(max(sol(:,:,1)))
min_temp = min(min(sol(:,:,1)))
x22_temp = sol(15,15,1)
fprintf('Max temperature: %f\n', max_temp)
fprintf('Min temperature: %f\n', min_temp)
fprintf('Temperature at x22: %f\n', x22_temp)
输出:
Max temperature: 35.000000
Min temperature: 10.000000
Temperature at x22: 26.688202
我们得到的最高温度为35度,最低温度为10度,x22处的温度为26.6882度。注意,由于使用了默认的物质参数和初始温度条件,因此这些结果只能作为大致估计。
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