计算流体力学电子PPT课件

1、目录 第一章 绪论 第二章 扩散问题的有限体积法 第三章 对流扩散问题的有限体积法 第四章 差分格式问题 第五章 压力-速度耦合问题的有限体积法 第六章 有限体积法离散方程的解法 第七章 非稳态流动问题的有限体积法 第八章 边界条件处理第1页/共54页第二章 扩散问题的有限体积法2-1一维稳态扩散问题的FVM计算格式2-2 多维稳态扩散问题的FVM求解第2页/共54页)()coscos(cos)()(dxdyadxdzadydzadAaaadVzayaxadAdVdivzyAxzyAxVzyxAVana或：第3页/共54页)351 ()()()(SdivdivtgraduSdivt)()(gr

2、ad0)(SdivgradSdivdivt)()()(graduSdivdiv)()(graduSnpdivdivt)()()(gradv瞬态扩散方程稳态扩散方程稳态扩散方程瞬态对流扩散方程稳态对流扩散方程压力速度耦合方程 非定常项 对流项 扩散项 源项第4页/共54页2-1 一维稳态扩散问题的一维稳态扩散问题的FVM计算格计算格式式由通用变量方程得稳态扩散方程为：0)(Sdivgrad2-1-1一维稳态扩散方程0)()()(Szzyyxxzyx将上式按张量运算法则展开得：0)(Sdxddxd由上式得一维条件下的稳态扩散方程：上式中, 为通用变量，可为温度、速度等变量； 为扩散系数或粘性系数，

3、S为源项。第5页/共54页2-1-2 求解一维稳态扩散问题的步骤求解一维稳态扩散问题的步骤第一步 生成离散网格第二步 由控制方程(积分形式)形成离散方程组第三步 求解方程组第6页/共54页第一步：生成离散网格控制体的划分（先划分控制体后定节点,节点在控制体中心）第7页/共54页相关的尺寸定义（约定：大写字母代表节点，小写字母代表边界。）第8页/共54页第二步：由控制方程(积分形式)形成离散方程组一维稳态扩散控制方程为：将此控制方程在某控制体上积分:0)(dVSdVdxddxdVV则由奥氏公式或高斯散度定理有：) 12(0)(Sdxddxd第9页/共54页0)()()()(VSdxdAdxdAd

4、VSdAdxddVSdVdxddxdweVAVVn式中，控制体的体积为V， 全部表面积为A，源项在控制体中的平均值为S上式有明确的物理意义：场变量的净增扩散量（即自西侧界面流入的扩散流量减去东侧界面流出的扩散流量）等于源项产生的扩散流量。第10页/共54页0)()(VSdxdAdxdAwe积分方程中的下标e、w表示控制体的界面（不是节点处），意味着我们需要知道扩散系数 _和场变量 的梯度在控制体东西边界上的值。这些值可由节点处的值插值得到。(近似处理)，对于均匀网格有：第11页/共54页2,2EPePWw同理，有：WPWPwwPEPEeexxdxdxxdxd于是，通过界面的扩散流量为第12页/

5、共54页接下来处理源项，源项可能为常数，也可能为场变量的函数，对其进行线性化处理，得：)()()()(WPWPwwwPEPEeeexAdxdAxAdxdAPPuSSVS将以上三式代入积分后的控制方程（即下式）中0)()(VSdxdAdxdAwe第13页/共54页将上式按场变量的节点值进行整理，得：0)()()(PPuWPWPwwPEPEeeSSxAxA令uEePEeWwWPwPPwWPwePEeSAxAxSAxAx)()()(PEWPePEeEwWPwWSaaaAxaAxa,）82（ uEEWWPPSaaa得离散方程：对于每一个节点（控制体）都可建立一个离散方程，所有节点的离散方程构成一个方程

6、组。第14页/共54页由上式形成的方程组是三元一次的线性方程组，该方程的特点是具有三条对角线，故称为三对角线性方程。目前可暂用matlab中Ab语句求解（高斯消元法）。下面用两个例题说明有限体积法如何求一维稳态扩散问题。uEEWWPPSaaa第三步：解方程组第15页/共54页例2.1用有限体积法求解无热源一维稳态导热问题图示绝热棒长0.5m，截面积A=10-2m2 ，左右端温度保持为TA=100C， TB=500C 。棒材料导热系数k=1000W/(m K) 。求绝热棒在稳定状态下的温度分布。第16页/共54页解：本问题的控制微分方程为0)(dxdTkdxd) 12(0)(Sdxddxd可将此

7、式与（2-1）式比较,可采用三步求解方法。第一步：生成离散网格（先控制体后节点）,生成5个单元（本问题有解析解）第17页/共54页第二步：构造离散方程对求解域中的2、3、4节点应用离散方程(2-8)EePEeWwWPwPPwWPwePEeTAxkTAxkTSAxkAxk)()()(EEWWPPTaTaTaWPEWaaAxkaa2,因xxxAAAkkkPEWPweew,故有：式中：由此得到3个方程第18页/共54页EEWWPPTaTaTa2002,10001.01.01000WPEWaaAxkaa534423312100100200100100200100100200TTTTTTTTT对于2号控

8、制体对于3号控制体对于4号控制体5个未知数，3个方程。可见不引入边界条件是没法求解的第19页/共54页对求解域中的边界节点1、5的离散方程需作特殊处理。方法仍然是对微分方程在边界控制体内积分。微分方程为：0)(dxdTkdxd上式在左边界控制体上积分，得：)122(0)2/()(xTTkAxTTkAAPPE0)2/()(112xTTkAxTTkAA即在上述过程中有一假定：认为A点的温度梯度dT/dx与A点和1点的温度线性相关第20页/共54页将（2-12）式按节点温度整理得：)122(0)2/()(xTTkAxTTkAAPPEAEWPTAxkTAxkTTAxkAxk)2()(0)2(）82（

9、uEEWWPPSaaa将上式与（2-8）式对照可知，边界条件可以转化成源项进入控制容积积分方程。即左边界的离散方程可以写成：PEWPePEeEwWPwWSaaaAxaAxa,式中第21页/共54页）142（ uEEWWPPSTaTaTa同理可对右边界控制体进行处理，得PEWPEWSaaaAxkaa,0式中AuPTAxkSAxkS2，2）142（ uEEWWPPSTaTaTaPEWPWESaaaAxkaa,0BuPTAxkSAxkS2，2式中第22页/共54页根据以上过程可以得到左右边界控制体的离散方程：0)2/()(112xTTkAxTTkAA0)()2/(455xTTkAxTTkAB右端控制

10、体左端控制体0)()22(0)22()(455112TTTTTTTTBA534423312100100200100100200100100200TTTTTTTTTBATTTTTTTTTTTTTTT23222234553442331221TA=100C， TB=500C第23页/共54页第三步 解线性方程组46038030022014054321TTTTT本问题的解析解为：T=800 x+100第24页/共54页第25页/共54页例2.2用有限体积法求解有内热源一维稳态导热问题图示厚度为L=2cm的无限大平板，导热系数k=0.5W/(m K) ，板内有均匀内热源q=1000kW/m3,表面温度A

11、、B分别保持为TA=100C， TB=200C 。求板内x向的温度分布。第26页/共54页解：由于板在y、z方向为无限大，因此可作为一维问题处理，即只考虑x方向。相对于无源问题，控制方程中增加了源项。即0)(qdxdTkdxd）（82uEEWWPPSaaaPEWPePEeEwWPwWSaaaAxaAxa,第一步：生成离散网格（先控制体后节点）,生成5个单元第27页/共54页）82（ uEEWWPPSaaaPEWPePEeEwWPwWSaaaAxaAxa,第二步：构造离散方程方法一：可以直接套用公式(2-8) ，但边界节点需特殊处理。PPuSSVS式中注：方法二：也可通过对控制方程的积分推导出离

12、散方程，同例2.1的过程，以下用方法求离散方程。第28页/共54页)12(0)(Sdxddxd0)(dVSdVdxddxdVV)212(0)()(本题：)22(0)()()()(VqdxdTkAdxdTkAVSdxdAdxdAdVSdAdxddVSdVdxddxdweweVAVVn n0)(本题：qdxdTkdxd第29页/共54页)212(0)()(本题：VqdxdTkAdxdTkAwexAV0)()(xqdxdTkdxdTkwe由于有第30页/共54页厚度L=2cm，导热系数k=0.5W/(m K) ，板内均匀内热源q=1000kW/m3,表面温度A、B分别保持为TA=100C， TB=2

13、00C 。求板内x向的温度分布。0004.0100.004-0.50.002-0.50004.0100.002-0.50.004-0.50004.0100.004-0.50.004-0.50004.0100.004-0.50.004-0.50004.0100.004-0.50.004-0.50)()(6455B6A112634456233461223TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTxqdxdTkdxdTkwe由得控制体2、3、4、1、5的离散方程为第31页/共54页第32页/共54页第33页/共54页（打一4个字母的英文单词）第34页/共54页2-2 多维稳态扩散问题的多维稳态扩散问题

14、的FVM求解求解2-2-1二维稳态扩散问题的有限体积法第一步：生成离散网格第35页/共54页由通用变量方程得稳态扩散方程为：0)(Sdivgrad0)()()(Szzyyxxzyx将上式按张量运算法则展开得：由上式得二维条件下的稳态扩散方程：0)()(Syyxxyx下面，对上式在控制体上进行积分第二步：构造离散方程第36页/共54页控制微分方程在控制体上积分：0)()(VyVxSdVdVyyxx0cos0cos)(cos)(VyxSdVdSyx应用高斯散度定理：式中：S为控制体表面，、为S上任一微小表面的外法线与xyz轴的夹角积分上式得：第37页/共54页0cos)(cos)(VyxSdVdS

15、yx0)()()()(VSyAyAxAxAsssnnnwwweee用线性插值方法，可将上式第一四项中的偏导数表示为：PEPEexx)(WPWPwxx)(PNPNnyy)(SPSPsyy)(第38页/共54页将以上四项的表达式代入积分方程，得：0)()()()(VSyAyAxAxAsSPSPssnPNPNnnwWPWPwwePEPEeePPuSSVS并对源项进行线性化处理，即：整理得：uNPNnnSSPssEPEeeWWPwwPPPNnnSPssPEeeWPwwSyAyAxAxASyAyAxAxA)()()()(写成通用形式第39页/共54页uNNSSEEWWPPSaaaaa通用离散方程:PNn

16、nNSPssSPEeeEWPwwWyAayAaxAaxAa,，PNSEWPSaaaaa式中：第三步：求解离散方程组 以下以一个例子说明二维稳态扩散问题的有限体积法求解第40页/共54页例2.3如图所示二维受热平板，板厚1cm，材料热传导系数k=1000W/(m.K) ，西侧边界有稳定热流输入，热流强度q=500kW/m2。东侧和南侧边界绝热，北侧边界保持常值温度TN=100C。求板内温度分布。（注意本题中q的量纲与例2-2中的q不同）第41页/共54页解：划分网格如图，x=y=0.1m 。控制微分方程为：0)()(yTkyxTkx离散方程：NNSSEEWWPPTaTaTaTaTaykAaykA

17、axkAaxkAanNsSeEwW,NSEWPaaaaa上式中：以上离散方程式可以处理6、7控制体。对于边界控制体不能直接处理。第42页/共54页86113775102610101010401010101040TTTTTTTTTT对于控制体6、7有：对于边界控制体，可由控制积分方程得到离散方程。0)()()()(VSyAyAxAxAsssnnnwwweee以下以第4控制体为例，说明离散方程的建立过程。先介绍传热问题中的一个定律。第43页/共54页傅立叶定律：热传导的速率与温度梯度以及垂直于热流方向的表面积成正比。nt式中 dQ 热传导速率，W或J/s； dA 等温表面的面积，m2； 温度梯度，

18、/m或K/m； l 导热系数，W/(m)或W/(mK)。 负号表示热流方向与温度梯度的方向相反。数学表达式:ntdAdQlntdAdQql由上式得:（可见热流强度q的单位为W/m2 。）第44页/共54页0)()()()(VSyAyAxAxAsssnnnwwweee在研究区域内无热源，S=0，故有：0)()()()(sssnnnwwweeeyTAkyTAkxTAkxTAk0)()2/()()(sSPssnPnnnwwwPEeeyTTAkyTTAkxTAkxTTAkntdAdQql由傅立叶定律0)()2/()(yTTAkyTTAkqAxTTAkSPssPnnnwPEee又:）（,yxAAAAAk

19、kkkksnwewsne第45页/共54页02/yTTkyTTkqxTTkSPPnPE02/34448yTTkyTTkqxTTkn01.0100005.01001000105001.01000344348TTTTT0）（10）100（20500）（1034448TTTTT2500101040834TTT整理得离散方程：同理得其它边界控制体的离散方程（对于绝热边界q=0）。这些方程构成了一个线性方程组。解之，得板内温度分布。第46页/共54页第47页/共54页从计算结果可以看出温度分布有什么特点？第48页/共54页%本程序用于绘制李人宪有限体积法p26例2.3等温线x=0.05 0.05 0.05 0.05 0.15 0.15 0.15 0.15 0.25 0.25 0.25 0.25;y=0.05 0.15 0.25 0.35 0.05 0.