如何在热方程中同时实现无通量和固定值的边界条件?是 Robyn BC 吗?

计算科学 pde 边界条件
2021-11-29 10:48:09

我正在使用热方程模拟地下水的温度。我在顶部有 Dirichlet BC,但在底部我的恒温等于 12 摄氏度(见附图)。看起来在底部我们的通量为零。当我指定 Dirichlet BC 时,我在“中性区”之前有一个“膝盖”,但事实并非如此。到目前为止,我有两个想法如何实现它:

  1. 我在想也许 Robyn BC 会在这里提供帮助?
  2. 也许我需要以某种方式将 [-hh * (T - T_inf)/k] 实现为那里的渐变。当我们没有 12C 时,我们将有通量,当我们有 12 时,我们将有 0 梯度。

你怎么看?这是解决这个问题的正确方法吗?

附加图片)

2个回答

您不能(通常)在同一边界处强制执行零通量和恒定值。

此外,您不需要 Robin 边界条件。边界条件取决于您希望强制执行的内容。在顶部,狄利克雷条件似乎很自然。您已经在底部提出了两个选项:Dirichlet(常数,如您所说的 12 度)或 Neumann(如您所说的零通量)。

在这个问题中,如果底部边界条件与顶部的距离足够大,那么在年表面温度的平均值处,零通量 Neumann 条件和 Dirichlet 条件之间将只有非常小的差异。“足够大的距离”有多远取决于@GeoMatt22 提到的趋肤深度。如果您在 Dirichlet 条件下看到“中性区”上方的弯曲,最好切换到 Neumann。

您是否具有随深度变化的热扩散率?

如果不是,那么如果我正确理解了您的问题,则有一个分析解决方案(请参见此处)。

在任何一种情况下,假设我正确理解了您的问题,那么通常下边界条件是“无限”处的零热通量(即 Neumann)。这里的“无穷大”是指z0zλ1, 在哪里λ是“趋肤深度”(见上面的链接)。在这种情况下,温度将最终成为表面强迫的时间平均值。

编辑:您的评论表明您具有分段恒定的扩散率,干燥土壤与饱和土壤(忽略渗流区)。在扩散率的阶跃变化中,温度T和热通量q=KTz将是连续的,但温度梯度Tz将是不连续的。您的结果是否在界面(即地下水位)处出现扭结?

在数值上,通过在计算通量时将界面电导率指定为两个相邻电池电导率的谐波平均值,可以在有限体积法中处理分段常数电导率。(这些注释提供了概述。)