Runge-Kutta法在瞬態(tài)溫度場的應用

劉 洋，孫旭曙，黃葉寧

（三峽大學 水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002）

對大體積混凝土和凍土等溫度敏感材料研究，要求解溫度分布問題。而瞬態(tài)溫度問題求解方法[1-3]，一般用有限差分法推求某個時間時溫度場方程。但有限差分法進行時間域離散時，數值解會在迭代過程出現震蕩情況，導致數值解精度下降。對有限差分法解的震蕩問題，林金木[4]應用障礙迭代法在實數子空間求解瞬態(tài)溫度場，提高了解的精度，但較難找出帶約束的定解條件；李元清[5]針對柴油機瞬態(tài)溫度場問題，提出一種改進的Crank-Nicholson法，但是這種方法在實際運用中局限性大。

本文用一種新的方法[6]（Runge-Kutta法），并借助MATLAB分別編寫三階Runge-Kutta法和兩點循環(huán)的Crank-Nicholson法的有限元程序。且對單元熱容矩陣進行處理，用集中質量矩陣代替單元熱容矩陣。通過兩種方法說明，Runge-Kutta法相對于Crank-Nicholson法，在求解瞬態(tài)溫度場方程的優(yōu)勢，為Runge-Kutta法處理瞬態(tài)溫度場問題的理論提供依據。

1 數學模型及有限元求解方程

1.1 數學模型

考慮多孔介質的各向同性，忽略水汽遷移、熱量對流的情況下，飽和土壤的二維溫度場方程為：

邊界條件（Dirichlet條件）：

式中T為溫度；T0為初始邊界溫度；C為體積熱容量，取1.68×104J/（m3·n）；λ 為導熱系數，取50W/（m·n）。

1.2 瞬態(tài)溫度場數值方法

瞬態(tài)溫度場數值方法，在空間域上用伽遼金法，在時間域上用Runge-Kutta法。首先，用伽遼金法對溫度場方程（1）進行空間域離散可得：

由式（3）可得：

直接求大型矩陣M-1很困難，這里用到集中質量矩陣[2]。假定單元的質量集中在結點上，那么單元熱容矩陣Me轉換的單元集中質量矩陣是對角線矩陣，且該質量矩陣理論上是正定的。

將單元熱容矩陣Me轉換為單元集中質量矩陣：

接下來，用三階Runge-Kutta[11]法對式（4）進行時間域離散。設t=n時，溫度為Tn；t=n+1時，溫度為Tn+1；其中Tn，1和Tn，2可由插值公式（6）和（7）表示：

式中Δt為時間步長，等于Tn+1與Tn差值；

則t=n+1，溫度Tn+1求解方程為：

2 二維穩(wěn)定溫度場解析解

矩形區(qū)域內，兩邊（x=0，x=a）始終保持0度，另外兩邊（y=0，y=b）的溫度分別為f（x）和g（x）。

應用分離變量法[7]，設T（x，y）=X（x）Y（y）：

其中λ 為常數，因此可得兩個常微分方程：

由齊次邊界條件（11）知：T（0，y）=0，T（a，y）=0，即X（0）=X（a）=0。首先，求解常微分方程邊值問題：X″（x）+λX（x）=0，X（0）=X（a）=0的非零解。

（1）當λ≤0時，沒有非平凡解。

（2）當λ＞0時，有非平凡解。

將λ 代入方程（14）可得：

其通解為：

可得出方程（9）滿足齊次邊界條件（11）的一系列特解：

由于方程（9）和邊界條件（11）是齊次的，因此：

仍滿足方程（13）和齊次邊界條件（14）。再應用非齊次邊界條件：

則有關系式：

利用傅里葉系數公式得：

聯立式（20）和（21）得：

滿足方程（9）（10）（11）的通解為：

取a=1，b=2，f（x）=-6，g（x）=0，帶入式（25），此時穩(wěn)定溫度場解析解為：

3 結果分析

瞬態(tài)溫度場達到穩(wěn)定 （300次迭代）時，Crank-Nicholson法和Runge-Kutta法兩種數值方法得出模擬值與解析值進行對比分析。

溫度場分布結果如圖1，圖2和圖3。

圖1 溫度等值線圖（解析解）

圖2 溫度等值線圖（C-N法）

圖3 溫度等值線圖（R-K法）

由圖1、圖2和圖3可知，數值解溫度分布情況和解析解溫度分布相同的。說明Crank-Nicholson法有限程序和Runge-Kutta法有限程序是正確的，且和解析值完全吻合。

取若干節(jié)點進一步進行溫度對比分析，如表1。最后對兩種數值方法進行運算效率對比，如表2。

表1 300次迭代兩種數值方法模擬結果

表2 300次迭代兩種數值運算時間對比

從表1可知，瞬態(tài)溫度場運行到穩(wěn)定時，數值解與解析解的誤差都在5%以內，但相對于Crank-Nicholson法，Runge-Kutta法得的節(jié)點溫度精度更高，且提高2%左右。

從表2 中可知，瞬態(tài)溫度場運算到穩(wěn)定時，Crank-Nicholson 法編寫MATLAB 程序運算時長為1.531s，而Runge-Kutta法編寫MATLAB程序運算時長0.991s，時長縮短0.54s，計算效率提高35%。顯然，相比Crank-Nicholson法，Runge-Kutta法大幅度提高運算效率，節(jié)省了數值模擬時間。

4 結語

對瞬態(tài)溫度場進行數值模擬，用Crank-Nicholson法和Runge-kutta法進行時間域離散，對兩者運行結果和運算時間對比分析發(fā)現：

（1）Runge-Kutta法用于處理瞬態(tài)溫度場分布問題，結果非常滿意。

（2）不管是精度，還是運算效率，Runge-kutta法都有明顯提高。

（3）用集中質量矩陣取代單元熱容矩陣，結果較好。