流热仿真课后作业

1、第一章计算流体动力学的基本任务是什么？答：计算流体动力学，简称CFD,是通过计算机数值计算和图像显示，对包含流体流淌和热 传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD可以看作是在流淌基本方程（质量守恒方程、 动量守恒方程、能量守恒方程）掌握下对流淌的数值模拟。通过这种模拟我们可以得到极其 简单问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度、浓度）的分布，以及这 些物理量随时间的变化，确定漩涡分布的特性、空化特性及脱流区等。什么叫掌握方程？常用的掌握方程有哪几个？各用在什么场合？答：（1）流体流淌要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守 恒定律、能量守恒定律。假如流

2、淌包含了不同组分的混合成相互作用系统，还要遵守组分守 恒定律，而掌握方程是这些守恒组分守恒定律，而掌握方程是这些守恒定律的数学描述。（2）质量守恒方程：任何流淌问题都必需满意；动量守恒方程：任何流淌系统都必需 满意；能量守恒方程：包含有热交换的流淌系统必需满意。试写出变径圆管内液体流淌的掌握方程及其边界条件（假定没有热交换），并写出用CFD来 分析时的求解过程。留意说明掌握方程如何使用。其次章什么叫离散化？意义是什么？常用的离散化方法有哪些？各有何特点？简述有限体积法的基本思想，说明其使用的网格有何特点？简述瞬态问题与稳态问题之掌握方程的区分，说明在时间域上离散掌握方程的基本思想及方 法？分析

3、比拟中心差分格式、一阶迎风格式、混合格式、指数格式、二阶迎风格式、QUICK格式 各自的特点及使用场合？第四章湍流流淌的特征是什么？答：Reynolds数值大于临界值，流淌呈现无序的混乱状态。这时，即使边界条件保持不变, 流淌也是不稳定的，速度等流淌特性都随机变化。三维湍流数值模拟的方法分类？答：直接数值模拟方法、非直接数值模拟方法。标准k- 模型方程的解法及适用性？Realizable K一 模型的适用模型？答：Realizable K一模型已被有效地用于各种不同类型的流淌模拟，包括旋转匀称剪切流、 包含有射流、混合流的自由流淌、管道内流淌、边界层流淌、以及带有分别的流淌等。LES方法的基本

4、思想如何？它与DNS方法有怎样的联系和区分？它的掌握方程组与时均化方 法的掌握方程有什么异同？答：（1） LES方法的主要思想是：用瞬时的N-S方程直接模拟湍流中的大尺度涡，不直接模 拟小尺度涡，而小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。LES和DNS是湍流数值模拟常用的方法，DNS是直接用瞬时的N-S方程对湍流进行计 算，最大好处是无需对湍流流淌作任何简化或近似，理论上可以得到相对精确的计算结果, 是直接数值模拟方法，而LES是非直接数值模拟方法，同时，DNS对内存空间及计算速度的 要求高于LESoLES方法的掌握方程组不考虑脉动对湍流运用的影响，将湍流运动看作是时间上的平 均流淌而DNS考察

5、脉动的影响，把湍流运动看作是时间平均流淌和瞬时脉动流淌的叠加。 简述标准K-模型的基本思想及相应的掌握方程组，说明如何解决湍流应力的计算问题？ 答：（1）基本思想：在关于湍动能K的方程基础上，再引入一个关于湍动耗散率的方程, 形成K一两方程模型。（2）掌握方程组：见课本P121的4.24和4.25公式。（3）如何计算问题：在标准K一模型中，对于Keynolds应力各个重量，假定粘度系数Mt 是相同的，即假定Mt是各向同性的标量。而在弯曲流线状况下，湍流是各向异性的，Mt 应当是各项异性的张量。简述什么是高Re数湍流模型。试对标准K- e模型、低Re数K一 模型、RNG K- 模型、 Reali

6、zable K一模型、Reynolds应力方程模型、代数应力方程模型等多种不同层次的湍流模 型，综合处理近壁区湍流的数值方法。答：（1）高Re数湍流模型：流体试验说明，当Reynolds数小于某一临界值时，流淌是平滑 的相邻的流体层被彼此有序地流淌，这种流淌称作层流；当Reynolds数大于临界值时，会 消失一系列简单的变化，最终导致，流淌特征的本质变化，流淌呈现无序的混乱状态，这时， 即使是边界条件保持不变，流淌也是不稳定的，速度等流淌特征都随机变化，这种状态称为 湍流，相对于湍流问题的结局建立的方程即为高Re数湍流模型。（2）高Re数的湍流计算模型是针对湍流进展特别充分的湍流流淌来建立的。

7、在近壁区内的 流淌，湍流进展并不充分，湍流的脉动影响可能不如分子黏性的影响大，在更近面底层内， 流淌可能处于层流状态，故，对Re数较低的流淌使用上述建立的K模型计算，就会消 失问题。于是用壁面函数法或采纳低Re数的模型。以低Re数K一模型为例：对高Re数 K-模型进行修改：掌握方程集中系数同时包括湍流集中系数与分子集中系数两局部。 考虑不同流态影响。壁面四周湍动能的耗散不是各向同性的。在此基础上写Re数K一 模型的运输方程。自己选择或设计一个平面湍动射流问题或其他类似的湍流问题，写出用RNG K- e模型计算 该流程的掌握方程及其边界条件，说明用数值方法求解掌握方程组的步骤。第五章什么叫边界条

8、件？有何物理意义？它与初始条件有什么关系？答：（1）边界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随时间和地点的变化规律。 （2）对于任何问题，都需要给定边界条件。（3）初始条件是所讨论对象在过程开头时刻各 个求解变量的空间分布状况，对于瞬态问题，必需给定初始条件，稳态问题，那么不用给定。 对于边界条件与初始条件的处理，直接影响计算结果的精度。常用的边界条件有哪些？请自己设计一个或几个物理问题，将这些边界条件全部用到。答：（1）常用的边界条件包括：进口边界、出口便捷：速度进口、压力进口、质量进口、 出流、压力出口、压力远场、进风口、排风口、进气扇、排气扇。壁面、重复、轴类边界： 壁面、对称、

9、周期、轴。内部单元区域：流体、固体。内部外表边界：风扇、散热器、 多孔介质阶跃、内部界面。第八早网格在CFD计算中有怎样的作用？对计算结果有什么样的影响？答：（1）网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体。（2）网格质量对CFD 计算精度和计算效率有重要影响，对于简单的CFD问题，网格生成极为耗时，且极易出错， 生成网格所需时间经常大于实际CFD计算的时间。常用的网格类型有哪些？各有什么优缺点？各在什么场合下使用？答：（1）网格类型有结构网格和非结构网格。（2）结构网格的网格中带节点，排列有序，邻 点的关系明确，对于简单的几何区域结构网格是分块构造的；非结构网格的网格中节点的位 置

10、无法用一个固定的法那么予以有序地命名，网格的生成过程比拟简单，但却有着极好的适应 性，尤其对于具有简单边界条件的流场计算问题特殊有效。非结构网格一般通过特地的程序 或软件来生成。常用的二维及三维单元有哪些？与网各类型的对应关系是什么？各处的特点是什么？答：在结构网格中，常用的2D网格单元是四边形单元，3D网格单元是六面体单元。在非结 构网格中，常用的2D网格单元还有三角形单元,3D网格单元还有四周体单元和五面体单元。 为何在划分网格后，还要指定边界类型和区域类型？常用的边界类型和区域类型有哪些？各 用在什么条件下？答：（1）由于CFD求解器定义了多种不同的边界，如壁面边界、进口边界、对称边界等

11、， 因此在GAMBIT中需要先指定所使用的求解器名称，然后指定网格模型中各边界的类型，假 如模型中包含有多个区域，犹如时有流体区域和固体区域，或者是动静联合计算中两个流体 区域的运动不同，那么必需指定区域的类型和边界，将各区域区分开来。（2）每一种求解器都供应了多种类型的边界，如FLUENT中供应了 WALL（壁面）、OUTLET（出 口）、SYSMETRY （对称面）等10多种边界，一般状况下各边界的类型需要逐个指定，只有当 多条边界的类型和边界值完全相同时才可以一起指定，否那么在FLUENT中没法区分。很多 CFD求解器供应了 Fluid （流体）和Solid （固体）两种区域类型。假设网

12、格模型中包含有多个 区域时，需要分别为每个区域指定类型，假如模型中只有一个面或者一个体，可以不指定区 域。三维问题与二维问题的网格划分有哪些地方是不一样的？答：（1）二维问题对应的是面网格，网格划分需要指定的是面，而三维问题对应的是体网格， 网格划分时需要指定的是体。（2）两者的网格单元和网格类型不尽相同，在三维问题中常用 的网格单元包括Hex （六面体）、Hex/wedge（网格主要由六面体组成，个别位置允许有楔形 体）、Tex/Hybrid （网格主要由四周体组成，个别位置可以有六面体、锥形体或楔形体）；常 用的网格类型：Map （规章）、Submap （块）、cooper （非结构）、T

13、-Grid（混合）等。二维网格 单元由三种：Quad （只包括四边形）、Tri （三角形）、Quad/Tri （主区域）；二维的网格类型 有:Map Submap Puve Tri-Primitive wedge Primitive 共 5 种。如何评价网格模型的质量？答：EquiSize Skew （尺寸扭曲率）和EquiAngle Skew （角度扭曲率）是评判网格质量最主要 标准，其值越小，网格质量越高。一般来说，Fluent要求扭曲率3D小于0.85, 2D小于0.75。 第七章FLUENT的主要功能包括哪些？答：主要功能包括：导入网格模型、供应计算的物理模型、施加边界条件和材料特性、

14、求解 和后处理。FLUENT供应了哪些主要计算模型？各用在什么场合下？答：（1）多相流模型：VOF模型：流体喷射、流体中大泡运动、流体大坝坝口流淌、气液 截面及稳定和瞬态处理等;Mixture模型:模拟各相有不同速读的多相流;Eolerian模型： 模拟多相分流及相互作用的相。（2）黏性模型：Inviscid模型：进行无黏计算；Laminar模型：用层流的模型进行流淌 模拟；Spalart-Allmaras（l eqn）模型：用于求解动力涡黏输运方程的相对简洁的一种； K-epsilon（2 eqn）模型：用K-双方程模型进行湍流计算；K-omege（2 eqn）模型：用K9双 方程模型进行湍

15、流计算；Reynolds Stress模型：使用Reynolds应力模型（RSM）进行湍流 计算；Large Eddy Simulation模型：三维问题，大涡模拟（LES）进行湍流计算。（3）辐射模型：火焰辐射传热、外表辐射换热、导热、对流与辐射的耦合问题，采暖、通 风、空调中通过窗口的辐射换热及汽车车厢的传热分析、玻璃加工及玻璃纤维拉拔和陶器的 加工等。（4）组分模型：用于对化学组分的输运和燃烧等化学反响进行模拟。（5）离散相模型：用Lagrangian公式计算离散相的运动轨迹，猜想连续相中由于湍流涡旋 作用而对颗粒造成的影响，离散相加热或冷却、液滴蒸发与沸腾、液体裂开与合并、模拟煤 粉燃

16、烧以及连续相与离散相相同的耦合等。（6）污染物模型：用以模拟NOX及烟灰形成过程。何时需要使用能量方程？答：对讨论的流淌问题考虑热交换、黏性生热时需要使用能量方程。何为流体区域和固体区域？为何要使用区域的概念？ FLUENT怎样使用区域？答：（1）流体区域时一个单元组，即一个区域，在设置流体区域时，允许设置热、质量、 动量、湍动能、组分以及其他标量型变量的源项，有关数据通过Fluid对话框输入；固体 区域也是一个单元组，用来进行传热求解计算，不进行任何流淌计算。固体区域仅需要输入 Solid类型的材料名称，允许设定热的体积源项或指定温度为定值，同时还可指定区域的运 动方式。（2） Fluent

17、中使用区域的概念，主要是为了区分分块网格生成，边界条件的定义等 等；在FLUENT中,材料包含哪些属性？用在何处？如何使用FLUENT数据库中已定义好的材料？ 答：（1）在FLUENT中常用的材料包括Fluid（流体）和Solid（固体）两种。Fluid材料包含的属性 有：密度或分子量、粘度、比热容、热传导系数、质量集中系数、标准状态焰、分子运动论 参数。（2） Solid材料只有密度、比热容和热传导系数属性。（3）使用材料面板修改材料属 性，在材料类型下拉菜单中选择材料类型；在流体、固体或其它材料下拉菜单中选择你 所需要修改属性的材料；修改相关属性；点击转变/创立按钮将所选择的材料属性转变

18、为新的属性。常用的边界条件包含哪些？周期性边界条件和对称性边界条件如何使用？答：（1）常用的边界条件包括：进口边界、出口边界：速度进口、压力进口、质量进口、 出流、压力出口、压力远场、进风口、排风口、进气扇、排气扇。壁面、重复、轴类边界： 壁面、对称、周期、轴。内部单元区域：流体、固体。内部外表边界：风扇、散热器、 多孔介质阶跃、内部界面。（2）周期性边界条件用于所计算的物理几何模型和所期盼的流淌的解具有周期性重复的 状况，通过Periodic对话框设置周期性边界条件；对称边界条件用于物理形状及所期望的 流淌的解具有镜像对称特征的状况，也可用来描述黏性流淌中的零滑移壁面。分析各种空间离散格式对解的影响及其适用性答:集中方程的集中项一般采纳中心差分格式离散,对流项可采纳多种不同的格式进行离散。 黏性项总是自动地使用二阶精度的离散格式。默认状况下，当使用分别式求解器时，全部方 程中对流项均用一阶迎风格式离散；当用耦合