主題
Search

熱傳導方程--圓盤


為了求解半徑為 a=1 的二維圓盤上的熱傳導方程,嘗試使用分離變數法:

 U(r,theta,t)=R(r)Theta(theta)T(t).
(1)

柱座標系表示 thetar 項的拉普拉斯運算元,得到:

 del ^2=(d^2R)/(dr^2)+1/r(dR)/(dr)+1/(r^2)(d^2Theta)/(dtheta^2),
(2)

因此,熱傳導方程變為:

 (RTheta)/kappa(dT)/(dt)=(d^2R)/(dr^2)ThetaT+1/r(dR)/(dr)ThetaT+1/(r^2)(d^2Theta)/(dtheta^2)RT.
(3)

等式兩邊同乘 r^2/RThetaT 得到:

 (r^2)/(kappaT)(dT)/(dt)=(r^2)/R(d^2R)/(dr^2)+r/R(dR)/(dr)+(d^2Theta)/(dtheta^2)1/Theta.
(4)

theta 項可以被分離。

 (d^2Theta)/(dtheta^2)1/Theta=-n(n+1),
(5)

其解為:

 Theta(theta)=Acos[sqrt(n(n+1))theta]+Bsin[sqrt(n(n+1))theta].
(6)

剩餘部分變為:

 (r^2)/(kappaT)(dT)/(dt)=(r^2)/R(d^2R)/(dr^2)+r/R(dR)/(dr)-n(n+1).
(7)

等式兩邊除以 r^2 得到:

 1/(kappaT)(dT)/(dt)=1/R(d^2R)/(dr^2)+1/(rR)(dR)/(dr)-(n(n+1))/(r^2)=-1/(lambda^2),
(8)

這裡選擇了一個的分離常數,以便 t 部分保持有限:

 T(t)=Ce^(-kappat/lambda^2).
(9)

徑向部分變為:

 1/R(d^2R)/(dr^2)+1/(rR)(dR)/(dr)-(n(n+1))/(r^2)+1/(lambda^2)=0
(10)
 r^2(d^2R)/(dr^2)+r(dR)/(dr)+[(r^2)/(lambda^2)-n(n+1)]R=0,
(11)

這就是球貝塞爾微分方程

考慮半徑為 a 的圓盤,初始溫度為 U(r,0)=0邊界條件U(a,t)=1。那麼解為:

 U(r,t)=1-2sum_(n=1)^infty(J_0((alpha_nr)/a))/(alpha_nJ_1(alpha_n))e^(-alpha_n^2kappat/a^2),
(12)

其中 alpha_n第一類貝塞爾函式 J_0(x) 的第 n零點 (Bowman 1958, pp. 37-39)。


另請參閱

熱傳導方程

使用 探索

參考文獻

Bowman, F. Introduction to Bessel Functions. New York: Dover, 1958.Carslaw, H. S. and Jaeger, J. C. "Some Two-Dimensional Problems in Conduction of Heat with Circular Symmetry." Proc. London Math. Soc. 46, 361-388, 1940.

請引用為

Weisstein, Eric W. "熱傳導方程--圓盤。" 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/HeatConductionEquationDisk.html

主題分類