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数值计算方法-​有限差分法

2022-04-281460

有限差分法。它是计算机数值模拟最早采用的方法,至今仍被广泛运用。

考虑时间因素的影响,差分格式可以分为显格式、隐格式、显隐交替格式等。其基本思想是用离散的、只含有限个未知数的差分方程去代替连续变量的微分方程和定解条件,求出差分方程的解作为求偏微分方程的近似解。该方法将求解域划分为差分网格,用有限个网格节点代替连续的求解域,以泰勒级数展开等方法,把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行离散,建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组,进而获得所需的数值解。

到目前为止,国内外专家学者已采用有限差分法对多种典型形状食品的冻结时间做了大量数值模拟,取得了许多成果。Allada和Quan(1966),Bailey

(1974),Mannapperuma和Singh(1988)先后在以食品热物理性质为温度的函数的假设前提下,推导出了一些预测食品冻结时间的显式差分公式;Cleland和Earle

(1984)确定了计算冻结时间和针对各种相变问题的有限差分解决方案,认为三阶隐式有限差分的Lees(1966)式模拟预测最为精确;Sheen和Hayakawa(I990)

应用交替隐式差分法和有限容积法,建立了一种适用于食品不同导热过程的新型有限差分模型来求解冻结时间;关志强(1999)等通过建立平板状食品冻结过程的温度模型和焓模型,应用完全隐式差分法获得冻结时间的数值解,并以牛肉为例实验验证:刘宝林(2000)用隐式差分法求解了无限大平板食品的一维速冻过程,讨论了介质温度、表面传热系数和食品厚度对冻结时间的影响;谢晶等

(2001)利用有限差分的焓方程数值求解鳕鱼在肋板鼓风冻结装置中的冻结时间,计算结果与实验的误差小于10%;汪政高(Zhengfu Wang)等(2007)利用VB编程,有限差分离散模型方程,其模拟与实验结果的相对误差分别仅为4.69%(平板状卡尔斯鲁厄测试物)、8.03%(平板状牛肉)、0.55%(球状牛肉)、5.61%

(圆柱状卡尔斯鲁厄测试物)。

有限差分法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法,数学概念直观,表达简单,是发展较早且比较成熟的数值方法。它特别适合处理形状规则食品的边界条件及线性间题,但对复杂区域的适应性较差及数值解的守恒性难以保证。

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