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结构力学数值方法:有限体积法(FVM):有限体积法(FVM)
概论
1有限体积法(FVM)基础
1.11有限体积法的起源与应用
有限体积法(FiniteVolumeMethod,FVM)起源于20世纪50年代,最初被
用于解决流体力学中的偏微分方程。其核心思想是基于守恒定律,将连续的物
理域离散成一系列控制体积,然后在每个控制体积上应用守恒定律,从而得到
一组离散方程。这种方法在处理对流扩散问题、流体动力学、热传导、电磁学
等领域有着广泛的应用,特别是在处理复杂几何形状和边界条件时,FVM显示
出了其独特的优势。
1.1.1应用实例
在流体力学中,FVM常用于求解Navier-Stokes方程,这些方程描述了流体
的运动。例如,考虑一个二维不可压缩流体的连续性方程和动量方程,可以使
用FVM来离散这些方程,从而在计算机上进行数值求解。
1.22有限体积法的基本原理
有限体积法的基本原理是基于积分形式的守恒定律。对于一个控制体积,
物理量的总变化等于流入和流出该控制体积的物理量的净差。这一原理可以应
用于质量、动量、能量等守恒量的计算。
1.2.1离散化过程
1.网格划分:将计算域划分为一系列互不重叠的控制体积。
2.积分方程:在每个控制体积上,将偏微分方程转换为积分形式。
3.数值积分:使用数值积分方法(如中点规则、梯形规则)来近似
积分。
4.离散方程:得到每个控制体积上的离散方程。
5.求解:通过迭代方法求解这些离散方程,得到物理量的数值解。
1.2.2示例代码
以下是一个使用Python实现的简单FVM网格划分示例,用于一维热传导
问题:
importnumpyasnp
1
#定义网格参数
L=1.0#域的长度
N=10#控制体积的数量
dx=L/N#控制体积的宽度
#创建网格
grid=np.linspace(0,L,N+1)
#计算控制体积的中心点
cell_centers=(grid[:-1]+grid[1:])/2
#输出控制体积中心点
print(控制体积中心点:,cell_centers)
1.2.3代码解释
这段代码首先定义了计算域的长度和控制体积的数量,然后计算了每个控
制体积的宽度。接着,使用numpy的linspace函数创建了一个从0到L的均匀
网格。最后,计算了每个控制体积的中心点,并将其输出。
1.33有限体积法与有限元法的比较
有限体积法和有限元法(FiniteElementMethod,FEM)都是数值求解偏微
分方程的重要方法,但它们在理论基础和应用领域上有所不同。
理论基础:FVM基于守恒定律,而FEM基于变分原理。
适用性:FVM在处理对流扩散问题和流体动力学问题时更为有效,
因为它能更好地保持守恒性。FEM则在处理结构力学和弹性问题时更为
常用,因为它能提供更灵活的形状函数和更精确的解。
离散化:FVM将计算域离散成控制体积,而FEM将计算域离散成
有限元,每个元可以是任意形状。
1.3.1结论
选择FVM还是FEM取决于具体问题的性质和求解需求。在处理守恒性要
求高的问题时,FVM是更佳的选择;而在处理需要高精度和复杂几何形状的问
题时,FEM则更为适用。
以上内容详细介绍了有限体积法的基础知识,包括其起源、基本原理以及
与有限元法的比较。通过一个简单的代码示例,展示了如何使用Python进行一
维热传导问题的网格划分,为理解FVM的离散化过程提供了直观的视角。
2
2有限体积法的离散化过程
2.11控制体积的定义与选择
在有限体积法(FVM)中,我们首先将连续的物理域划分为一系列不重叠的控
制体积。这些控制体积可以是任意形状,但通常选择为四边形或六面体,以简
化计算。每个控制体积包含一个网格节点,该节点的物理量(如压力、速度、
温度等)被视为控制体积内的平均值。
2.1.1定义控制体积
控制
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