Equation Diffusion Thermique
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Problèmes inverses [ modifier | modifier le code] La solution de l'équation de la chaleur vérifie le principe du maximum suivant: Au cours du temps, la solution ne prendra jamais des valeurs inférieures au minimum de la donnée initiale, ni supérieures au maximum de celle-ci. L'équation de la chaleur est une équation aux dérivées partielles stable parce que des petites perturbations des conditions initiales conduisent à des faibles variations de la température à un temps ultérieur en raison de ce principe du maximum. Comme toute équation de diffusion l'équation de la chaleur a un effet fortement régularisant sur la solution: même si la donnée initiale présente des discontinuités, la solution sera régulière en tout point de l'espace une fois le phénomène de diffusion commencé. Équation de la chaleur — Wikipédia. Il n'en va pas de même pour les problèmes inverses tels que: équation de la chaleur rétrograde, soit le problème donné où on remplace la condition initiale par une condition finale du type; la détermination des conditions aux limites à partir de la connaissance de la température en divers points au cours du temps.
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On considère le cas simplifié de l'équation en une dimension, qui peut modéliser le comportement de la chaleur dans une tige. L'équation s'écrit alors: avec T = T ( x, t) pour x dans un intervalle [0, L], où L est la longueur de la tige, et t ≥ 0. Equation diffusion thermique equation. On se donne une condition initiale: et des conditions aux limites, ici de type Dirichlet homogènes:. L'objectif est de trouver une solution non triviale de l'équation, ce qui exclut la solution nulle. On utilise alors la méthode de séparation des variables en supposant que la solution s'écrit comme le produit de deux fonctions indépendantes: Comme T est solution de l'équation aux dérivées partielles, on a: Deux fonctions égales et ne dépendant pas de la même variable sont nécessairement constantes, égales à une valeur notée ici −λ, soit: On vérifie que les conditions aux limites interdisent le cas λ ≤ 0 pour avoir des solutions non nulles: Supposons λ < 0. Il existe alors des constantes réelles B et C telles que. Or les conditions aux limites imposent X (0) = 0 = X ( L), soit B = 0 = C, et donc T est nulle.
Il est donc décrit par une équation de type diffusion, la loi de Fourier: où est la conductivité thermique (en W m −1 K −1), une quantité scalaire qui dépend de la composition et de l' état physique du milieu à travers lequel diffuse la chaleur, et en général aussi de la température. Equation diffusion thermique examples. Elle peut également être un tenseur dans le cas de milieux anisotropes comme le graphite. Si le milieu est homogène et que sa conductivité dépend très peu de la température [ a], on peut écrire l'équation de la chaleur sous la forme: où est le coefficient de diffusion thermique et le laplacien. Pour fermer le système, il faut en général spécifier sur le domaine de résolution, borné par, de normale sortante: Une condition initiale:; Une condition aux limites sur le bord du domaine, par exemple: condition de Dirichlet:, condition de Neumann:, donné. Résolution de l'équation de la chaleur par les séries de Fourier [ modifier | modifier le code] L'une des premières méthodes de résolution de l'équation de la chaleur fut proposée par Joseph Fourier lui-même ( Fourier 1822).
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↑ Jean Zinn-Justin, Intégrale de chemin en mécanique quantique: introduction, EDP Sciences, 2003, 296 p. ( ISBN 978-2-86883-660-1, lire en ligne). ↑ Robert Dautray, Méthodes probabilistes pour les équations de la physique, Eyrolles, 1989 ( ISBN 978-2-212-05676-1). Cours 9: Equation de convection-diffusion de la chaleur: Convection-diffusion thermique. Voir aussi [ modifier | modifier le code] Bibliographie [ modifier | modifier le code] Joseph Fourier, Théorie analytique de la chaleur, 1822 [ détail des éditions] Jean Dhombres et Jean-Bernard Robert, Joseph Fourier (1768-1830): créateur de la physique-mathématique, Paris, Belin, coll. « Un savant, une époque, », 1998, 767 p. ( ISBN 978-2-7011-1213-8, OCLC 537928024) Haïm Brezis, Analyse fonctionnelle: théorie et applications [ détail des éditions] Articles connexes [ modifier | modifier le code] Géométrie spectrale Thermodynamique hors équilibre Liens externes [ modifier | modifier le code] La théorie de la chaleur de Fourier appliquée à la température de la Terre, analyse d'un texte de 1827 de Fourier, sur le site BibNum.
Pour finir, voyons les deux dernières équations: La dernière équation réduite donne: Il reste à calculer les en partant du dernier par la relation: Les coefficients des diagonales sont stockés dans trois tableaux (à N éléments) a, b et c dès que les conditions limites et les pas sont fixés. Les tableaux β et γ (relations 1 et 2) sont calculés par récurrence avant le départ de la boucle d'itération. À chaque pas de l'itération (à chaque instant), on calcule par récurrence la suite (relation 3) pour k variant de 0 à N-1, et enfin la suite (relation 4) pour k variant de N-1 à 0. En pratique, dans cette dernière boucle, on écrit directement dans le tableau utilisé pour stocker les. Références [1] Numerical partial differential equations, (Springer-Verlag, 2010) [2] J. H. Ferziger, M. Peric, Computational methods for fluid dynamics, (Springer, 2002) [3] R. Pletcher, J. Equation diffusion thermique method. C. Tannehill, D. A. Anderson, Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer, (CRC Press, 2013)