AKB48……ではなくてODE45！ FreeMatだと微分方程式が容易に解ける：無償ソフトで技術計算しよう【シミュレーション基礎編】（1）（3/3 ページ）

[伊藤孝宏，MONOist]

冷却の計算例

　詳細は次回で説明するとして、（4）式で与えられる微分方程式をFreeMatで数値的に解いてみましょう。また、得られた結果と解析解(8)式で計算した結果とを比較してみます。

　数値的に解くには、具体的な諸元が必要となります。ここでは、下記とします。直径5mm、長さ100mmで初期温度T0=100℃の鉄棒が、Ta=20℃の大気中にあります。鉄棒の物性値は、密度p=7800[kg/m³]、比熱c=470[J/kgK]表面熱伝達率a=10[W/（m^2*K）]、とします。直径と長さから表面積はA=0.002[m²]、体積はV=1.963e-6[m³]となります。この鉄棒の初期から600秒間の温度変化を求めてみます。

　下記のようにコマンドウィンドウに入力すると、図3の結果が得られます。

--> A=1.61e-3;V=1.963e-6;p=7800;c=470;
--> Ta=20;T0=100;a=10;
--> f=@(t,Te) -a*A*(Te-Ta)/(c*p*V);
--> [t,Te]=ode45(f,[0,600],T0);
--> Te2=Ta+(T0-Ta)*exp(-a*A*t/(c*p*V));
--> plot(t,Te,'+',t,Te2,'o'); grid('on');
--> xlabel('Time[s]');ylabel('Temperature[deg]');

図3　解析解と数値解との比較

　図3は横軸が時間で縦軸が温度で、＋は(4)式を数値的に解いた結果を、また、○は解析解の(8)式で計算した結果を示します。両者は良く一致していることが分かります。

　入力内容を簡単に説明すると、1行目で表面積A、体積V、密度p、比熱cを、2行目で雰囲気温度Ta、初期温度T0と表面熱伝達率aを設定しています。

　3行目で無名関数を使い、（4）式の微分方程式をfという名称で定義しています。4行目でfを初期値がT0で、区間が0〜600の範囲で数値的に解いています。tに時間、Teに解法結果として温度が得られます。ode45は微分方程式を数値的に解くコマンドです。ode45の具体的な使い方は、基礎編の第3回で説明します。5行目で、数値解で用いた時間ｔで解析解の(8)式の値を計算しています。6行目で両者をグラフにプロットしています。

　このように、FreeMatを使うと、微分方程式を容易に解くことが可能です。極端な話、数値解法コマンドode45の使い方を知っていれば十分ともいえますが、次回は、ode45の基本となる数値解法のオイラー法とルングクッタ法について説明します。

参考文献

• 「MATLABハンドブック」小林一行著、秀和システム刊
• 「はじめてのFreeMat」赤間世紀著、工学社刊

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筆者紹介

伊藤孝宏（いとう・たかひろ）

1960年生。小型モーターメーカーのエンジニア。博士（工学）。専門は流体工学、音・振動工学。現在は、LabVIEWを使って、音不良の計測・診断ソフト、特性自動検査装置などの開発を行っている。