Средства среды MathCAD для моделирования разогрева жала паяльника с учётом потерь тепла на излучение




Большое количество задач сводится к решению дифференциальных уравнений, однако, лишь небольшая часть их может быть решена аналитически. В связи с этим значительно возрастает роль численного решения дифференциальных уравнений.

Дифференциальным называется уравнение относительно неизвестной функции и её производных различных порядков .

Даже в том случае, когда аналитическое решение данного уравнения все же существует, необходимо представить решение в графическом виде, чтобы понять его характер. В связи с этим, необходимо найти численное решение уравнения.

Для численного интегрирования одного ОДУ у пользователя Mathcad 11 (начиная с версии Mathcad 2000 Pro) имеется выбор-либо использовать вычислительный блок Given/odesoive, либо встроенные функции, как в прежних версиях Mathcad. Первый путь предпочтительнее из соображений наглядности представления задачи и результатов, а второй дает пользователю больше рычагов воздействия на параметры численного метода. Рассмотрим последовательно оба варианта решения.

Вычислительный блок для решения одного ОДУ, реализующий численный метод Рунге-Кутты, состоит из трех частей:

Given - служебное слово;

ОДУ и начальные условия, записанное с помощью логических операторов, причем начальное условие должно быть в форме: y(t0) = b;

Оdesolve (V, t, tmax, N) - встроенная функция для решения ОДУ относительно переменной t на интервале (t0, tmax), N - число шагов. Метод численных вычислений по которому будет работать функция пользователь может выбрать после щелчка по имени функции: фиксированный - метод Рунге-Кутта 4-го порядка с постоянным шагом интегрирования, адаптивный - метод Рунге-Кутта 4-го порядка с переменным шагом интегрирования либо жёсткий - метод Радаус.

Альтернативный метод решения ОДУ перешел из прежних версий Mathcad. Он заключается в использовании одной из встроенных функций: rkfixed (vi, tmin, tmax, n, f), Rkadapt (vi, tmin, tmax, n, f), Bulstoer (vi, tmin, tmax, n, f) и др. Аргументы функций одинаковы: vi- вектор начальных значений, tmin- начальное значение текущей переменной, tmах- конечное значение текущей переменной, n - число шагов, на которые разбит интервал tmах- tmin, f - символьный вектор правых частей уравнений системы. Этот способ несколько проигрывает первому и в простоте, и в наглядности Поэтому предпочтительнее вычислительный блок Given/odesoive.

Так же для нахождения численного решения дифференциального уравнения можно воспользоваться алгоритмом Эйлера.

Применим алгоритмом Эйлера для решения данной задачи.

Алгоритмом Эйлера.

Метод численного решения диф. уравнений включает в себя преобразование дифференциального уравнения в уравнение конечноразностное. Поскольку уравнение:


 

(1)

 

описывает изменение величины u(t), то с известной степенью точности можно записать

 

,

 

где , а D t - конечный интервал, т.е. (2). С учетом этого из уравнения (1) получим:

 

(3)

 

Это и есть конечноразностное уравнение, соответствующее дифференциальному уравнению (1). В первом приближении предполагается, что правая часть уравнения (1), т.е. скорость изменения u постоянна на отрезке D t. Это метод касательных или метод Эйлера. Совершенно очевидно, что данный метод будет давать хорошее приближение, если D t достаточно мало.

При решении такого типа задач часто сталкиваются с необходимостью определить влияние на полученное решение какого либо изменяющегося параметра. Для этого необходимо задать вектор, соответствующий изменению параметра и рассчитывать уже набор векторов решения, т.е. матрицу решения. Принцип реализации таких вычислений приведён ниже в MathCad программе. В которой представлено влияние параметра h (коэффициент теплообмена) на изменение температуры жала паяльника с учётом потерь тепла на излучение.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2020-03-31 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: