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第五章-传热学数值计算
第五章 对流与扩散 主要内容: §5.1 任务 §5.2 一维稳态对流与扩散 §5.3 二维问题的离散化方程 §5.4 三维问题的离散化方程 §5.5 单向空间坐标 §5.6 假扩散 §5.1 任 务 1、上章内容总结 在通用微分方程中忽略了对流项,给出了非稳态项、扩散项及源项的离散化方法,阐述了求解代数方程组的方法。只要对流项的加入不改变离散化方程的形式,方程组的求解方法仍然适用。 2、本章任务 在已知流场(V分量及ρ)的情况下,求解?分布。对流项与扩散项之间有不可分割的关系,因此需要把这两项处理成一个单位,其它项可以作为陪衬. 获得流场的方法:可以得知于实验;也可以由一个解析解给定;或通过流动的数值计算获得;或干脆由猜测估计得知。 “扩散”的广义解释:不仅限于表示由浓度梯度引起的一种化学组分的扩散,由?的梯度引起的扩散流是 ,即方程中的 二阶导数项为扩散项。 由于连续性,Fe=Fw,? (只是在流场满足连续性条件时才具有这一性质); 方程 隐含着?分段线性分布的含义,也是熟知的中心差分格式(用左右节点值表示界面上的值以及界面上的导数值); 方程必须遵守四项基本法则,否则会产生灾难性的结果。 为解决中心差分在 之后产生解失去物理上真实性的问题,提出了上风方案。 以后介绍的格式,除特殊说明,扩散项均采用中心差分格式离散。因此离散格式的不同是指对流项离散方法的不同。 上风方案充分考虑了流动方向对导数差分计算式及界面上函数取值方法的影响。 此类格式的离散化方程不会产生负系数(因格式须满足连续方程 Fe=Fw ,故aP0), 解总是在物理上真实的解,同时斯卡巴勒准则也将得到满足; 在对流项中心差分的数值解不会出现振荡的参数范围内,在相同的网格节点数下,采用中心差分的计算结果比采用上风方案的结果更精确; 为构造更为优良的离散格式,应当在迎风方向获取比背风方向更多的信息,以较好地反映对流过程的物理本质; 一阶上风格式由于其绝对稳定的特性,使其在过去半个世纪中得到广泛的应用,至今仍有其应用价值 先将动量方程和连续方程分别离散,然后合并在一起得到离散方程;或者将连续方程引入动量方程后再进行离散,所得结果应该是一样的,且都满足邻近系数之和的规则。 当已知的速度与密度恰恰满足连续性离散化方程时,由法一和法二得到的离散化方程相同;当已知的流场不满足连续性方程时,这两种推导将给出不同的结果,这时建议采用由第二种方法导出的离散化方程,因为它满足邻近节点系数和的规则。 1、J*、通量密度及其离散表达式 设总流量密度 i+1 i ? J 可以看出A和B均是P?的函数,且 2、系数A、B间的关系分析 ①. 和差性 由系数A、B的定义式可得: ②. 对称性 i+1 i ? J B A i+1 i ? J B A 如果将坐标轴的方向反转, 得到右侧两图,P将显示为-P,A与B将相互交换其角色,所以有如下关系: 对界面而言 以指数格式为例验证上述结论 指数格式通量表达式 见图5.6所示 ③.系数特性的重要推论 两式合并 3、通用离散化方程的导出 将A、B的表达式代入此方程 可见,对于不同的格式,只是 表达式不同而已。各种不同格式的 函数关系式已由表5.2给出。可以通过与相应的精确解比较来评判每一种函数的满意程度。 §5.2-8 各种方案(格式)结果比较 为了比较对给定的?E 和 ?W 值用上述几种格式计算得到的?P值,且不失一般性,取: 结果示于图5-8中,由图可以看出: 用幂函数格式得到的结果,对任何Pe数都与精确解符合得很好,以致在图中很难分开,只好用一条线表示。 中心差分格式的解在小Pe时与精确解很符合,但在Pe=±2,误差明显增大;绝对值大于2后结果均已超出边界值所限定的范围,违反了物理上的真实性。 上风格式对任何Pe数都能得到物理上真实的解,即?P都落在边界值范围内,但在整个Pe数范围内都有较大的误差存在。这是由于小Pe时,对流项用了上游节点计算,而在大Pe时,扩散项仍用中心差分格式离散所致。 混合格式所得结果在-2≤Pe≤2时, 与中心差分格式相同;在该范围之外(-5≤Pe≤5),比上风格式有较大改进,因为此时将扩散项取成了零,因此与精确解符合得很好。 §5.3 二维问题的离散化方程 在二维直角坐标系中,对流扩散方程的通用形式 引入 x 及y 方向的对流-扩散通量密度 二维问题的控制容积 1、用控制容积法进行离散 法一:直接对给定方
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