静态电流传导和能量的生成 在静态导电问题中,PDE方程由最基本的保守形式开始: 其中J是电流密度。 材料(或本构)模型采用欧姆Ohm定律: 其中E是电场, ![]() 另外,已知: 其中 ![]() 在COMSOL Multiphysics中,这就是所谓的Conductive Media DC方程。 电阻产生的热能 稳态电流的能量问题是在电导体中的电阻热 其中J表示电流强度,E代表电场强度, ![]() 尽量减少电阻产生的热量,也就是减少热损耗,是我们要研究的一个最小值问题。 如果问题是线性,则积分可以显式地写成: 因为 ![]() 将这个式子与结构力学中的式子进行对比,发现他们非常相似。 ![]() ![]() ![]() 传热PDE方程和能量形式 对于稳态传热问题,PDE形式为: 其中T是温度,k是热传导系数,Q是空间分布的热源。 热能 基于传热方程的典型泛函为: 其中T是温度,k是热传导系数张量(3×3)。 泛函极小值 泛函极值的概念借用了微积分中的不少方法。本节首先会介绍函数微积分的求极值方法,接下来,我们会借用有限元中常用的术语和标注方法来推导我们熟悉的结果。这个过程可以被看作是微积分方法的一种推广。 考虑一个多元微积分函数f,我们要求最小值: 寻找x使得f(x) 最小化 这里x是一个矢量,或者点的坐标。通过微积分我们知道,这个时候首先必须求函数f的梯度。将梯度的设置为0,我们可得到一个非线性方程组。求解方程,我们可以得到一系列的坐标点x,如果在其中某点处的二阶倒数(一般称为Hessian矩阵)为正(或者说有正的特征值),就说这点就是我们要求的极小点,就好像该点是整个函数的一个谷底一样。 利用Taylor展开的观点,假设已知一个最小值x,我们可以在上面施加一个小的扰动,由Taylor展开可得: 这里H就是前面所说的Hessian矩阵。现在我们用其他的方法来说明函数f在x最小。首先,假设x是一个极值点,当添加了一个 ![]() ![]() 对于任意小的 ![]() 我们这里只是用一个稍微有点不同的方法得到了一个同样的结果。 但是,这只是给了我们一个极值点的信息,如果要确定其是最小极值点,必须保证第三项(二阶项)对于任意 ![]() 只有当H的特征值都为正时,上式成立(参考线性代数)。有可能会遇到二阶项也总为0,这个时候我们必须借助更高阶项来判断极值点。 下面是函数f的一个特例: 二次多项式: 其中A是对称矩阵。如果我们应用Taylor展开,可得到: 或者 这里零阶,一阶和二级项都在独立的中括号内。为了得到一阶变分,矩阵A必须是对称的。 极值的条件成了: 对于任意小 ![]() 这里我们对矩阵进行了转置,而且利用了矩阵A的对称性,即 ![]() 极小值的条件也就是矩阵A必须是一个正定矩阵,如果矩阵A是负定矩阵(只有负特征值),则得到极大值。如果A是不确定的(特征值有正有负),则极值可能是一个鞍点,既不是极大值,也不是极小值。如果矩阵A是对称的,而且正定,则函数f是超椭圆的。在2D中,超椭圆就是椭圆。二次多项式的几何特征影响经典的PDE方程和有限问题的分类。当利用有限元方法去离散一个椭圆的PDE问题时候,得到一个对称矩阵(刚度矩阵)的线性代数系统。这样的问题一般等效于最小能量问题。 |
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