熱伝導シミュレーション

熱伝導シミュレーション(平板と円筒)

初めに

熱伝導は、物質の形状によって伝わり方が異なります。 例えば、まっすぐな「平板(壁など)」と、パイプのような「円筒」では、熱の広がり方にどのような違いがあるでしょうか?

平板の場合、熱が進む道の幅は常に一定です。しかし円筒の場合、外側に向かって進むにつれて面積(体積)が広がるため、熱が分散しやすくなります。 このシミュレーションで、両者の温度分布(定常状態)の違いを観察してみましょう。

平板(1次元直線)

円筒(1次元放射)

温度分布グラフ

あとがき

平板の熱伝導方程式

\[ \frac{\partial T}{\partial t} = \alpha \frac{\partial^2 T}{\partial x^2} \]

十分に時間が経った定常状態($\partial T / \partial t = 0$)では、温度分布は直線になります。

円筒の熱伝導方程式(半径方向)

\[ \frac{\partial T}{\partial t} = \alpha \left( \frac{\partial^2 T}{\partial r^2} + \frac{1}{r}\frac{\partial T}{\partial r} \right) \]

面積が外側ほど大きくなるため、定常状態での温度分布は対数曲線(上に凸のカーブ)になります。内側の高温部から外へ向かう熱が、広い体積に分散するため、温度が急速に下がるように見えるのです。