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精品文档精品文档..计算流体动力学及其应用——习题1、扩散(质量、动量、能量)现象的方程和边界条件为:2u
0tT 0xLx2初始条件:u(x,0)=0(除x=0.5外);u(0.5,0)=0.1边界条件:u(0,t)=1,u(L,t)=1(除t=0外);u(x,0)=0设μ=1,Δx=0.1,L=1,T=2,I=10;请在①Δt=0.005,②Δt=0.01两种情况下各进行10个时间步的数值计算,并找出某些规律。计算流体动力学及其应用——习题1、扩散(质量、动量、能量)现象的方程和边界条件为:2u
0tT 0xLx2初始条件:u(x,0)=0(除x=0.5外);u(0.5,0)=0.1边界条件:u(0,t)=1,u(L,t)=1(除t=0外);u(x,0)=0设μ=1,Δx=0.1,L=1,T=2,I=10;请在①Δt=0.005,②Δt=0.01两种情况下各进行10个时间步的数值计算,并找出某些规律。提示:采用时间前差空间中差格式。看两种情况是否稳定?提示:采用时间前差空间中差格式。看两种情况是否稳定?tntu0u1u2u3u4u5u6u7u8u u9 100000000.1000000.005110.01110.015110.02110.025110.03112、已知:2、已知:d2udx24x22x40<x<1边界条件:x=0, dx1;x=1,u=-1du利用FDM和FVM,求各节点的u值,并与精确解进行比较。提示:参考P6-8Neumann边界条件3、用一般方法3、用一般方法(前向差分、后向差分、中心差分)导出一阶微分具有三(六)阶精度的差分格式。p204、采用Von方法判断下式的稳定性。un1un1i2ti(u n2unuin)x2iiO(t2,x2)P37-39可采用反证法证明其无条件不稳定。552uf(xy)u2x2y2应用第一类边界条件,有:uuuuu02, 3, 6, 9uu848ff205 8采用有限体积法求22单位网格的数值解。p1126、利用CFD软件(如FLUENT或CFX或STAR-CD等)计算一个实例。并打印出模型、网格及计算结果。1. 采用时间前差,空间中差un1und(un 2unun)i i ii it=0.005tU0U1U2U3U4U5U6U7U8U9U100000000.1000000.00510000.0500.0500010.0110.500.02500.0500.02500.510.01510.50.262500.037500.037500.26250.510.0210.63120.250.1500.037500.150.250.631210.02510.6250.39060.1250.093800.09380.1250.39060.62510.0310.69530.3750.24220.06250.09380.06250.24220.3750.695310.003510.68750.46880.21880.1680.06250.1680.21880.46880.687510.0410.73440.45310.31840.14060.1680.14060.31840.45310.734410.04510.72660.52640.29690.24320.14060.24320.29690.52640.726610.0510.76320.51170.38480.21880.24320.21880.38480.51170.76321t=0.01tU0U1U2U3U4U5U6U7U8U9U1000.000.000.000.000.000.100.000.000.000.000.000.011.000.000.000.000.10-0.100.100.000.000.001.000.021.001.000.000.10-0.200.30-0.200.100.001.001.000.031.000.001.10-0.300.60-0.700.60-0.301.100.001.000.041.002.10-1.402.00-1.601.90-1.602.00-1.402.101.000.051.00-2.505.50-5.005.50-5.105.50-5.005.50-2.501.000.061.009.00-13.0016.00-15.6016.10-15.6016.00-13.009.001.000.071.00-21.0038.00-44.6047.70-47.3047.70-44.6038.00-21.001.000.081.0060.00-103.60130.30-139.60142.70-139.60130.30-103.6060.001.000.091.00-162.60293.90-373.50412.60-421.90412.60-373.50293.90-162.601.000.101.00457.50-830.001080.00-1208.001247.10-1208.001080.00-830.00457.501.00t=0.00t0.0可以看出选择时间步长对计算结果收敛情况起决定作用。和时0d1/2时d1/2,计算结果不稳定。FDM
u u2 3 1u节点:
2u u2 (1/3)2
1/32u 2
2u 2uu节点4 3 (1/3)2代入u 14
2u f3 3解得0.35163d
3u
124u u12采用在节点1给出udx2
2x
31可解得3 9FVMu u节点2 1
1f xxuu
2 2u u节电:
2 2 12uxf xx x 2 2u u uu节点:
3
22u
xf xx x 3 3代入u 1,x1/3,f 38/9,f 32/94 2 3解得2/93精确解u2x2x对比可得FVMFVM中精确实现而FDMFDM中难Neuman边界条件,但可采用虚拟节点法,二阶精度法等来FM以得到精确解。
u (x)2 2u (x)3 3u (x)4 4uu ui1
x(x
( )2! x2
( )3! x3
( )4! x4iu (2x)2 2u (2x)3 3u (2x)4 4uiui2
u2x(x
( )2! x2i
( )3! x3i
( )4! x4iiu (3x)2 2u (3x)3 3u (3x)4 4uiui3
u3x(x
( )2! x2i
( )3! x3i
( )4! x4iu au
du令( ) xi
i1x
i2
i3
(x3)后向差分
11,b3,c3,d16 2 3u (x)2 2u (x)3 3u (x)4 4uu ui1
(x)(x
( )2! x2i
( )3! x3i
( )4! x4iiu (2x)2 2u (2x)3 3u (2x)4 4uiui2
u(2x)(x
( )2! x2i
( )3! x3i
( )4! x4iiu (3x)2 2u (3x)3 3u (3x)4 4uiui3
u(3x)(x
( )2! x2i
( )3! x3i
( )4! x4iu au
du令( ) xi
i1x
i2
i3
(x3)11 3 解得 ,b3,c ,d11 3 6 2 3
iu (3x)2 2u (3x)3 3u (3x)4 4u (3x)5 5u (3x)6 6uiui3
u(3x)(x
( )2! x2i
( )3! x3i
( )4! x4i
( )5! x5i
( )6! x6iiu (2x)2 2u (2x)3 3u (2x)4 4u (2x)5 5u (2x)6 6uiui2
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( )2! x2i
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(x)(x
( )2! x2i
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( )4! x4i
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(x)(x
( )2! x2
( )3! x3
( )4! x4
( )5! x5
( )6! x6iu (2x)2 2u (2x)3 3u (2x)4 4u (2x)5 5u (2x)6 6uiui2
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( )2! x2i
( )3! x3i
( )4! x4i
( )5! x5i
( )6! x6iiu (3x)2 2u (3x)3 3u (3x)4 4u (3x)5 5u (3x)6 6uiui3
u(3x)(x
( )2! x2i
( )3! x3i
( )4! x4i
( )5! x5i
( ) 令6! x6i(uu5
)s5,8
(u9
u)s8
(u7
u)s8
7,8
fA8 8u au
fu
gu( ) i3xi
i2
i1x
i1
i2
i3
(x6)ia0.0167,b0.15,c0.75id0,e0.75,f0.15,g0.0167un1un1 (un
2unun)i
i i1
i i1
(t2,x2) 2t x2nununnii i iin1
(
2nn)i代入得ii
2t
i1
x2
i1
……(2)将n分解为傅立叶级数ini
N neIi )jjNj将(3)式代入(2)式得n12t
eIi
(neI(i1)neIineI(i1))x2令d
2tx2n1
dn(eI2eI) n令误差放大因子fn1
(n1)
代入(4)得f n1 fn1
2d(1cos) f n fn1
2d(1cos) 这里采用反证法,假设其有条件稳定则由)可推d0,f 0再由)—)得n1 1f f n1 n
而该方程与假设f fn n1
n1
f,fn
fn1
)矛盾固假设不成立,即)式无条件不稳定。节点5的差分方程为(u u2
)s2,5
(u6
u)s5
(u8
u)s5
(u4
u)s5
4,5
fA5 5f
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