CFD_有限体积方法基本原理
有限体积方法
第三讲 空间离散方法—有限体积法由于控制方程的复杂性，很难求出其解析解，一般采用数值方法对其进行求解。
采用数值求解方法，首先要对流场空间进行离散，即用一些基本体积单元对物理空间进行填充，要求这些体积单元既不能重叠，也不应有间隙，我们称这些体积单元为网格，或控制体积，填充的过程则称为网格生成。
对于二维流动，基本的网格单元有三角形和四边形网格，而对于三维流动，则基本的网格单元可由四面体、三棱柱、金字塔和六面体单元组成，图3.1即为机翼附近网格。
网格划分完成后，就可以应用相应的数值求解方法把每个网格单元中心点处的流动变量求解出来，也就完成了全部流场的计算。
有限体积法就是针对每个控制体积直接对积分形式的控制方程进行离散，从而把积分型方程近似为代数方程进行求解的方法。
图3.1 机翼附近网格3.1 N-S 方程的半离散形式积分形式的N-S 方程为： ∫∫Ω∂Ω=⋅−+Ω∂∂0)(dS n F F Qd t V c r （3-1） 针对空间某一控制体I Ω，首先对时间导数项进行处理，假设守恒变量Q 在控制体积内为常数分布，即等于控制体中心点处的值I Q （也即为控制体积内守恒变量的平均值），有∫Ω∂∂Ω=Ω∂∂t Q Qd t I （3-2） 式（3-1）变为 ∫Ω∂⋅−Ω−=∂∂dS n F F t Q v c I r )(1 （3-3）假设对流通量和粘性通量在控制体界面上为常值分布，且等于界面中心点（面心）处的值，则有 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡Δ⋅−Ω−=∂∂∑=F N m m m v c I S F F t Q 1)(1 （3-4） 对式（3-3）右端项的近似称为空间离散，而式（3-4）时间方向暂时保留连续的形式，所以称该式为半离散控制方程。
式（3-4）中的m S Δ为第m 个界面的有向面积，即该面的外法线矢量与界面面积的乘积，为一矢量，又称面积矢量。
仔细观察半离散方程可以发现：时间导数项是由单元中心点处的守恒变量值表示的，我们称其为单元中心法；式（3-4）右端项中的通量是关于界面处流动变量的函数，需由界面处的流动变量来确定，由此可看出，流动变量I Q 与流动通量m S F Δ⋅的空间存储位置不同，要想求出流动通量，需先假设流动变量在控制体积内的分布规律，这一过程称为重构，然后确定界面处的流动变量值，再求出界面处的流动通量。
CFD2013-第7讲-有限体积法1
x
y
Qij[1
t x
*A
t y
*B
]
[
t x
A Q i1, j i1, j
t y
B i,
j
1Q
i
,
j
1
]
[
t x
A Q i1, j i1, j
t y
B Q ] i, j 1 i, j 1
tRHS
D U L (D L )D1(D U ) LD 1U
[j,j+1]区间内
U A~ U 0 t x
常系数方程的 Riemann解
f j1/2
1 2
[f(UR
)
f(UL
)]
1 2
S 1
S(UR
UL)
~ A(U R , U L
)
应当具有的性质
~
f(UR ) f(UL ) A(UR , UL )(UR UL )
~ A(U R , U L )
2） f j1/ 2 f (u j1/ 2 )
j-1/2
j+1/2
f j1/ 2 （称为数值流通量） 的含义
u j1/ 2 u(x j1/ 2 ) u在xj+1/2点的值！
关键： 是用 u j 计算 u j1/2（称为重构） ，而不是用 u j 计算u j1/2
F n 垂直于n方向的单位面积的质量、动量和
能量
u u
F
n F1nx
F2ny
u2 uv
p
nx
有限体积法 中科大
有限体积法（Finite Volume Method，FVM）是一种数值计算方法，广泛应用于解决流体动力学、热传导等物理现象的偏微分方程。
它将求解域划分为有限数量的控制体积，然后通过对控制体积应用质量、动量、能量守恒等物理原理，将偏微分方程转化为代数方程组，最终用数值方法求解。
有限体积法的基本思想包括以下几个步骤：
1.离散化：将求解域划分为有限数量的控制体积，这些体积通常是规则的立方体或六
面体。
2.建立守恒方程：对每个控制体积应用守恒方程，例如质量守恒、动量守恒、能量守
恒等。
这通常涉及将偏微分方程转化为积分形式。
3.积分：对守恒方程进行积分，将守恒方程应用于控制体积的表面，得到在体积上的
积分方程。
4.离散化方程：将积分方程离散化，将连续域上的方程转化为离散的代数方程。
5.求解代数方程组：利用数值方法求解得到的代数方程组，通常采用迭代方法或直接
求解方法。
6.结果后处理：根据求解得到的数值解进行后处理，如可视化、数据分析等。
有限体积法的优势在于其能够自然地处理复杂的几何形状、多相流体、非结构网格等问题。
它在计算流体动力学、热传导、固体力学等领域有着广泛的应用。
计算流体力学讲义CFD2013-第7讲-有限体积法1
守恒变 量重构 原始变 量重构 特征变 量重构
U
U I 1/ 2 min mod(U I 1 U I ,U I U I 1 )
U IR1/2 U I 1 1/ 2 min mod(U I 1 U I ,U I 2 U I 1 ) qIL1/2 qI 1/ 2 min mod(qI 1 q I , qI qI 1 ) qIR1/2 qI 1 1/ 2 min mod(qI 1 q I , qI 2 qI 1 )
Q11 R11 / a11
Qij (Rij dij Qi 1, j eij Qi , j 1 ) / aij
Qmn Rmn / amn
Qij (aij Qij bij Qi 1, j cij Qi , j 1 ) / aij
3
§ 7.1 结构网格有限体积法
有限体积法主要优势： 处理复杂网格 差分法处理复杂外形 —— 坐标变换
U IJ t
残差=净通量=右端项
9
2. 无粘通量的计算
F nds
常用方法 （流过AB边的通量）： a. 利用周围点的值，计算出(I+1/2,J)
点处的物理量； b. 利用该处的物理量，计算出流过 AB边的流通量
方法1： 中心型有限体积法
U I 1/2, J
1 U I , J U I 1, J 2
f 3 f 3 f f z 3 z 3 z z
ˆ J 1 ( f f f ) f 1 x 1 y 2 z 3
ˆ J 1 ( f f f ) f 2 x 1 y 2 z 3 ˆ J 1 ( f f f ) f 3 x 1 y 2 z 3
有限容积法和有限体积法
有限容积法和有限体积法有限容积法和有限体积法是计算流体力学中常用的两种数值方法，它们在流体动力学的数值计算中占有非常重要的地位。
本文将从概念、原理、特点、应用等方面，对这两种方法进行详细介绍。
一、有限容积法1.概念有限容积法（Finite Volume Method，FVM）是一种离散化的数值方法，它将连续的物理量离散化为有限个体积元，在每个体积元内计算其平均值，进而求解整个流体系统的物理量。
FVM方法的核心是质量守恒原理，即物质的进出必须平衡，这种保证了物理量在每个体积元内的守恒关系，从而保证了数值计算的准确性。
2.原理FVM方法的数值计算是基于网格的，它将流体动力学问题离散化为一个由有限体积元组成的系统，将原问题转化为流量守恒方程的求解，即$$\frac{\Delta m}{\Delta t}=\Sigma_{faces}\rho uA$$其中，$\Delta m$是在$\Delta t$时间内通过一个表面的质量变化量，$\rho$是介质的密度，$u$是速度，$A$是面积。
对于每个有限体积元，上式可以写为其中，$F_{ij}^p$和$F_{ij}^n$分别是流向有限体积元内部和外部的通量，$i,j$是有限体积元的编号。
3.特点（1）FVM方法基于质量守恒原理，具有非常强的数值稳定性和保真性；（2）FVM方法的计算结果具有局部守恒性，能够准确反映流场内部的物理现象；（3）FVM方法可以处理非结构化网格，适用范围广泛；（4）FVM方法求解的是面积分，所需的时间和空间存储相对较少。
4.应用（1）流体力学领域，如空气动力学、水力学、燃烧问题等；（2）材料科学领域，如薄膜生长、材料变形等。
有限体积法（Finite Element Method，FEM）是一种离散化的数值方法，它将求解的物理场离散化为有限个单元，然后在每个单元内进行近似计算。
相比于FVM方法，FEM方法更加精确，适用于需要高精度计算的问题。
python计算有限体积流体力学
python计算有限体积流体力学有限体积流体力学是一种用于模拟和分析流体在有限体积内的运动和行为的数值方法。
它通过将流体分割为离散的体积单元，并在每个体积单元内求解流体力学方程来描述流体的运动。
本文将介绍有限体积流体力学的基本原理和应用。
有限体积法的基本原理是将流体域划分为一系列小的离散体积单元，称为控制体。
在每个控制体内，流体的守恒方程被离散化为代表质量、动量和能量守恒的方程。
通过求解这些方程，可以得到流体在整个流场内的运动和行为。
有限体积法的首要任务是将流体域划分为离散的控制体。
这可以通过网格生成算法来实现，其中流体域被划分为一系列小的立方体单元。
每个控制体的边界与相邻控制体的边界相连，形成一个网格。
控制体的大小和形状可以根据具体问题进行调整，以满足数值计算的需求。
在每个控制体内，流体的守恒方程被离散化为代表质量、动量和能量守恒的方程。
对于质量守恒，可以利用控制体内的质量变化率来表示。
对于动量守恒，可以利用控制体内的动量变化率和外力对流体的作用来表示。
对于能量守恒，可以利用控制体内的能量变化率、流体的压力和温度来表示。
这些方程可以通过数值差分方法进行离散化，并利用迭代算法求解。
有限体积法的一个重要优势是可以处理复杂的流体边界条件。
在每个控制体的边界上，可以设置不同的边界条件，如固壁、入口和出口条件。
这些边界条件可以根据具体问题进行设定，并在数值计算中进行考虑。
通过合理设置边界条件，可以模拟不同类型的流体流动，如层流、湍流和多相流动。
有限体积法在工程领域有着广泛的应用。
它可以用于分析流体在管道、喷口和涡轮机等设备中的流动行为。
通过模拟流体在这些设备中的运动，可以优化设备的设计和性能。
此外，有限体积法还可以用于模拟自然界中的流体现象，如河流和海洋中的水流。
总结起来，有限体积流体力学是一种用于模拟和分析流体运动的数值方法。
它通过将流体域划分为离散的控制体，并在每个控制体内求解流体力学方程来描述流体的运动。
有限体积法介绍
有限体积法1 有限体积法基本原理上一章讲到的有限差分法将数值网格的节点上定义为计算节点，并在网格节点上对微分形式的流体基本方程进行离散，用网格节点上的物理量的代数方程作为原PDE 的近似。
在本章所要学习的有限体积法则采用了不同的离散形式。
首先，有限体积法离散的是积分形式的流体力学基本方程：•d q ds ds SS⎰⎰⎰ΩΩ+∇⋅Γ=⋅φφρφn n v(1)计算域用数值网格划分成若干小控制体。
和有限差分法不同的是，有限体积法的网格定义了控制体的边界，而不是计算节点。
有限体积法的计算节点定义在小控制体内部。
一般有限体积法的计算节点有两种定义方法，一种是将网格节点定义在控制体的中心，另一种方法中，相邻两个控制体的计算节点到公共边界的距离相等。
第一种方法的优点在于用计算节点的值作为控制体上物理量的平均值具有二阶的精度；第二种方法的好处是在控制体边界上的中心差分格式具有较高的精度。
积分形式的守恒方程在小控制体和计算域上都是成立的。
为了获得每一个控制体上的代数方程，面积分和体积分需要用求面积公式来近似。
2 面积分的近似采用结构化网格，在二维情况下，每一个控制体有4个面，二维情况，每一个控制体有6个表面。
计算节点用大写字母表示，控制体边界和节点用小写字母表示。
为了保证守恒性，控制体不能重叠，每一个面都是相邻两个控制体的唯一公共边界。
控制体边界上的积分等于控制体个表面的积分的和：∑⎰⎰=kS Skfds fdS(2)上式中，f 可以表示n u ρφ或n∂∂Γφ。
显然，为了获得边界上的积分，必须知道f 在边界上的详细分布情况，这是不可能实现的，由于只是计算节点上的函数值，因此必须采用近似的方法来计算积分。
整个近似过程分成两步第一步：用边界上几个点的近似积分公式第二步：边界点上的函数值用计算节点函数值的插值函数近似 面积分可采用以下不同精度的积分公式： 二阶精度积分：e e e e S e Sf S f fds F e≈==⎰(3)上式中e f 为边界中点出的函数值。
CFD2013-第8讲-有限体积法2
U f(U) 0 t x
U U R U
L
x0 x0
u*
1） 精确 Riemann解 （Godunov方法）
v, w 按照被动标量处理
L R
u* 0 u* 0
Copyright by Li Xinliang
Copyright by Li Xinliang 1
知识回顾： 有限体积法基本流程
U IJ 1 t IJ
F nds
1 IJ
Fv nds 0
无粘项常用方法 （流过AB边的通量）： a. 利用周围点的值，计算出(I+1/2,J) 点处的物理量；
直接利用“差分格式” b. 利用该处的物理量，计算出流过AB边的流通量 迎风型方法需利用“通量分裂技术”
9
2） Roe 近似Riemann解
Riemann 问题：
U f(U) 0 t x U f(U) 0 t x
U U ( x, tn ) R U
L
Roe平均
[( L R ) / 2]2
u ( L u L R u R ) /( L R ) H ( L H L R H R ) /( L R )
计算流体力学讲义2011
第八讲 有限体积法（2）
李新亮 lixl@ ；力学所主楼219； 82543801
知识点：
通量分裂技术简述 加速收敛技术
讲义、课件上传至 (流体中文网） -> “流体论坛” ->“ CFD基础理论 ” 讲课录像及讲义上传至网盘 /browse.aspx/.Public
CFD简介
例:
' Ut C K L
3 2
CD
K L
wi w j wi K K K wi (ut ) ut ( ) t xi xi xi x j xi xi
式中 ε为耗散能
' C、CD
为经验常数
L为湍流特征长度
CFD技术基础
C、 二方程模型
w w w
wi 0 xi
'
p p p
'
w i w i 1 p w i ' wj { w i' w j } t x j x j x j x j
CFD技术基础
wi l x j
为层流应力；
w w t
' i ' j
Conservation of momentum : Navier-Stokes equations
w i w i 1 p wi wj t x j x i x jx j
2
CFD技术基础
如果直接解上述方程组，这 种方法叫DNS解(direct numerical simulation)。采用这种方法求解 方程组，求解的区域至少要大于 湍流中最大旋涡的尺寸，计算网 格要分的非常细小，要比湍流运 动中最小尺寸的旋涡的尺寸要小， 旋涡的尺寸大小取决于雷诺数。
• 改善叶轮机械的设计方法；
• 更准确地性能预测和进行优化 水力设计；
• 市场竞争的压力，需要加速新 产品的开发速度；
CFD技术基础
叶轮机械内部流动的复杂性主 要是由于: • 完全的湍流； • 复杂的几何形状；
• 转轮的旋转；
CFD技术基础
由于复杂的几何形状和旋转，在计算 中将面临以下几个难点:
有限体积方法
有限体积方法引言有限体积法(FVM)是在物理空间上积分形式的守恒方程进行直接离散的数值方法。
与有限差分方法相比有限体积方法更具有一般性，适用于任意形式的网格，结构网格与非结构网格均适用。
有限体积法是一种基于将CFD中最基本的量在单元内的平均值，这是与有限差分及有限元方法区别的地方，后边两种方法的数值量都取为在网格点上。
FVM方法一个重要优势是跟守恒性离散这个重要的概念联系起来，它可以自动满足具有守恒性的离散。
另一个优点就是适用于任意的网格。
5．1 守恒性离散对于量U守恒律的一般积分形式可以由式(1.1.1)给出如下将上式的最终表面源项合并到通量项中得到该表达式的基本特点是存在表面积分以及在体积内U的时间变化只依赖于表面上的通量. 如图5.1.1所示可将一个体积元分解成三个亚体元,对于每个亚体元写出守恒律表达式将这些表面积分进行加和,内部线ADB以及DE总是两次出现,但是方向相反,将三部分积分守恒律相加,这些内部的贡献量就会抵消,只剩下外边界的贡献量.例如,对于有一个通量的贡献量而对于也有一个相似的项:这样这两项相加就可以抵消. 故要保证格式是守恒的,通量的数值离散必须满足这样一个基本性质.下面我们以一维守恒律的情形来说明这个问题结合图5.1.2来说明这个问题其中f是矢量通量的x方向分量, 参考上图, 定义一个一维有限体积网格,并把中间点定义为“单元面”. 例如, 对于元(i), 单元面就是i-1/2与i+1/2的中点.对该有限体积网格应用中心差分, 在i, i+1与i-1点处分别离散得到将以上三个方程加和就得到了与元AB(i-3/2, i+3/2)上的守恒律相容的离散方程,即从上式可以看出内部点的通量贡献已经抵消掉. 有时这种特性称为通量项的“telescoping property”, 对于元AB, 只考虑中间点i(不考虑i-1与i+1点),则离散形式可以直接写为从 5.1.7的两式对比中, 我们可以看到通量部分的离散具有统一的形式, 这就是我们所要强调的守恒的特性.如果我们要考虑方程(5.1.3)的非守恒形式, 则通量的导数就可以写为其中, a(u)为Jacobian函数, , 故非守恒形式可以写为利用图5.1.2所示的有限体积网格, 对非守恒形式在i点应用二阶中心差分得到其中是的值.同样,对于i+1点以及i-1点有,将9式中三个离散式子进行加和得到参考5.1.7b, 将5.1.8式直接在AB上进行离散,可得我们发现5.1.10a右边由元AB内部点贡献的通量部分并不能互相抵消掉, 表现出源项的特点,这导致计算机程序不能将之与物理源项相区分, 故非守恒形式的离散会产生内部源.这些项被认为在网格点处展开为一项的二阶形式. 在连续流情况下可以忽略它, 但是对于计算非连续流动,比如流动中有激波产生, 就会产生巨大的误差. 数值实验显示非守恒形式比守恒形式的精度更低,尤其是在遇到梯度大的地方,由于数值源项的存在会产生更大的误差.5.1.1 守恒的离散化的正式表示方法对于5.1.3式,如果离散成如下的形式就可以满足守恒性要求,为数值通量, 其为u在(2k)个邻域内点的函数.此外, 方程5.1.11与原方程相容性要求当所有的均相等时,有这些都可以直接推广到多维的情形, 以上条件必须分别对矢量通量的所有分量均成立.定理: 当趋近于0时,若离散方程5.1.11的解几乎处处收敛于某个函数值, 则是方程 5.1.3的弱解(可以存在有限个间断——Rankine-Hugoniot条件)5.2 有限体积方法基础有限体积方法是积分形式的守恒律方程的直接离散,这是有限体积方法与有限差分方法最大的区别,由于积分形式是守恒律的最一般的表达式,它不要求通量一定是连续的,这就是有限体积方法接近真实流动的原因.FVM需要按以下步骤来构建:1.划分网格,由空间离散得到有限体积,一个控制体积与每一个网格点都相关联2.在每一个有限体积上应用积分形式的守恒律.有限体积选择的条件由于具有普遍性,有限体积方法能够适用于任何类型的网格,结构与非结构.单元居中的方法: 未知量定义在网格单元的中心,网格线定义了有限体积及表面积, 此处, 变量与单元相关,如图5.2.1a及c. 流动变量是在整个单元的平均值, 可以认为是单元内部某些有代表性点的值, 例如单元中心点.单元顶点的方法: 未知量定义在网格角上,此处变量与网格点相关,例如单元顶点, 如图5.2.1b,d所示在相容的有限体积方法的体积的选择上,以下的限制条件必须得到满足:(i)它们的总数应该覆盖整个区域(ii)亚区域是允许重叠的,条件是表面的每一部分作为一个偶数个不同亚区域的部分而出现,这样整体的总积分守恒律就适用于任何相邻亚区域的组合域.(iii)通量沿单元表面必须由不依赖于当地单元的公式来计算.(iii)确保了守恒特性的满足,因为通量的内部边界的贡献量会抵消掉(相关的有限体积相加之后)5.2.2 有限体积离散的定义将积分型守恒律应用到每一个控制体积, 关联到网格点J, 因此对于依附于该点或单元上未知量的离散化方程可定义为:该方法的优点(对于无源项方程尤其有优势)是通量只在二维表面上计算,而不是三维空间中. 5.2.1可由其离散形式代替,对于参考图5.2.1a对于单元1(i, j), 用统一表示, 是ABCD面. 通量项在4条边AB, BC, CD, DA求和.式(5.2.2) 说明了有限体积法与有限差分及有限元法区别的一些重要特性: 1.点J的坐标是变量的准确位置,在控制体积内它将不会明确的标出.因此在控制体内联结到一个固定点,将之看作是整个控制元上该流动变量U的一个平均值(图5.2.1a). 5.2.2式中第一项代表在选定的控制体积上流动变量的平均值的时间变化率.2.网格坐标只出现在确定的单元体积以及侧面上. 因此, 参照图5.2.1a, 考察点1的控制元ABCD只有A,B,C,D的坐标将是需要用到的.3.当不存在源项的时候,有限体积方程式表示时间间隔内U的平均值变化等于相邻单元之间通量的交换量,对稳态流动,得到的数值解是通量进入控制体平衡的结果, 即例子: 图5.2.1a中AB面,对于1则通量贡献量为正,而8则为负.4. 有限体积也允许边界条件的自然引入, 例如固壁, 法向分量为0, 对连续方程. 在固壁处. 因此对(5.2.2)及(5.2.3)的相应的贡献变为0.5.2.3 数值格式的一般表达式假设守恒律的积分形式(5.2.1)对于控制体积, 从到进行积分有,引入单元平均守恒变量, 在时间的源, 单元与时间平均源, 以及每个边上的数值通量, 分别定义如下守恒的离散化采用如下形式:其中与任何网格点无关, 它是整个单元上的平均. 为了在离散化的水平上实现守恒,在给定的单元面上的数值通量的估计必须独立于其所属的单元.如果考虑空间离散完全由其数值通量来定义,时间积分项暂不处理,则以上的数值方法就会得到其一般形式. 一个一般的数值格式可以定义为对时间的常微分方程为定义残差为整个单元上的通量平衡减去源项贡献. 5.2.6是5.2.7的时间的向前差分,也有其他的时间离散方法,例如龙格-库塔法.守恒性条件可选择的公式在任意数量的单元上对5.1.2进行展开, J=1-N. 对所有的单元进行加和,削去所有单元内表面的贡献项得,定义为在整个单元的平均值,该格式的守恒性要求,在每一个时间步,如下的条件要得到满足,边界以及源项5.3 有限体积方法的实际应用5.3.1 二维有限体积方法如图5.2.1a,考察控制单元ABCD, 方程5.2.1可写为f, g为矢量通量F的直角坐标分量,对边AB,表面矢量可定义为对于单元,可以得到有限体积方程ABCD展开求和包括ABCD的四条边,对于一般的四边形,面积可由对角线矢量乘积表示,如图5.3.1, 平行四边形1234的面积是ABCD的两倍,因此, 为点A的位置矢量.对于单元ABCD,上式右边为正.通过单元表面通量的计算沿侧边通量分量,如的计算(a)对于中心离散格式以及单元中心化的有限体积方法,有以下做法:1.通量平均2.由于通量分量一般是U的线性函数,以下的式子与5.3.5不等价3.将取为通量在A及B处的平均这里,可以在A及B处求变量的值, 例如以及也可以进行通量的直接平均, 例如:可以看到, 5.3.7与5.3.10比5.3.8与5.3.11需要更少的通量计算(b)对于中心格式及单元-顶点的有限体积方法:5.3.7, 5.3.8是对通量的直接近似, 5.3.8是对应着对积分梯形公式的应用通过加和在单元ABCD四个边积分的贡献量(如图5.2.1b), 可以得到例子: 在笛卡儿网格下的中心离散格式. 在笛卡儿坐标, 均匀网格下,上述有限体积公式与有限差分的公式是一致的. 由可以得到(此处记, 同样其他的量也采用类似的记法)两边除以可以得到中心差分格式将5.3.5式应用到图5.2.1a, 方程E5.3.3变为而由5.3.8与5.3.11将推出如下的公式(c)单元-中心化有限体积的迎风格式(利用上游点求下游)对流通量以相关的对流速度传播方向的函数来计算,其中由图5.2.1a可以定义(d)对于迎风-单元顶点的有限体积方法(图5.2.1b), 可以定义例子:E5.3.2 “笛卡儿坐标网格中的迎风格式”考虑二维线性对流方程的离散如图5.2.1a所示, 在单元ABCD应用有限体积的公式:通量定义为, 选择方程5.3.14, AB,CD为竖直边,有对于水平边BC, DA有故其得到的格式为一阶迎风格式的推广, 具有一阶精度5.3.2 梯度的有限体积的计算对于任意一个体积，由高斯定理得此处，S是封闭的边界表面,定义平均化的梯度为以及对于二维控制单元,可以得到如图5.2.1d, 在公式两边应用梯形积分公式, 得到此处对所有的顶点求和,从1到6, 以及. 经过整理可得到对于y同样存在这样的关系计算单元面积: 当U=x时,方程5.3.21左侧为1. 对于任意一个单元的面积可用如下的式子进行计算,对任意一个四边形ABCD, 如图5.3.2, 可以得到以及对于y方向导数有,对于同一单元的封闭面与体有如下关系对于二维单元, 取, 可以推出如下的公式例子: E5.3.3 二维扩散方程考虑二维扩散方程对于扩散的通量分量(k为常数) 在图5.2.1a的网格上进行有限体积的离散,将整个单元ABCD的通量表示如下,在单元的格点A,B上计算导数, 对于单元(i, j),方程5.3.3可写为对于A点, U的导数取整个元1,6,7,8的平均值,由5.3.26得对于B可以得到与A类似的关系通过边AB对通量的贡献为E5.3.14与E5.3.15两式的加和, 并与相乘而得到的,同理通过BC通量的贡献为类似的关系对于C有最后,对于方程E5.3.13有, 可以写为该数值离散对应的是图4.2.3中Laplace算子的离散.更简单的办法为这样就推出了扩散方程的标准有限差分格式(对应图4.2.2)以上可以推广到多维的情况以及流行的结构及非结构网格上去.。
计算流体力学 有限体积法基础及其应用
一、计算流体力学简介1.1 计算流体力学的定义1.2 计算流体力学的研究对象1.3 计算流体力学的发展历史二、有限体积法基础2.1 有限体积法的理论基础2.1.1 有限体积法的基本原理2.1.2 有限体积法的数学模型2.2 有限体积法的数值求解2.2.1 离散化2.2.2 迭代求解三、有限体积法在计算流体力学中的应用3.1 有限体积法在流体流动模拟中的应用 3.1.1 管道流动模拟3.1.2 自由表面流动模拟3.2 有限体积法在传热问题中的应用3.2.1 对流传热3.2.2 辐射传热四、有限体积法在工程领域中的应用4.1 有限体积法在航空航天领域中的应用 4.2 有限体积法在汽车工程中的应用4.3 有限体积法在建筑工程中的应用五、有限体积法的发展趋势5.1 高性能计算技术对有限体积法的影响5.2 多物理场耦合对有限体积法的挑战5.3 人工智能在有限体积法中的应用六、结论一、计算流体力学简介1.1 计算流体力学的定义计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）是利用计算机模拟流体力学问题的一门学科。
它通过对流动流体的数值解，来研究流体在各种情况下的运动规律和性质。
1.2 计算流体力学的研究对象计算流体力学的研究对象包括流体的流动、传热、传质、振动等现象，以及与流体相关的各种工程问题，如飞机、汽车、建筑等的气动特性分析与设计。
1.3 计算流体力学的发展历史计算流体力学的发展可以追溯到20世纪50年代，当时计算机技术的进步为流体力学问题的数值模拟提供了可能。
随着计算机硬件和软件的不断发展，CFD的应用领域不断扩大，成为现代工程领域不可或缺的工具之一。
二、有限体积法基础2.1 有限体积法的理论基础2.1.1 有限体积法的基本原理有限体积法是求解流体动力学问题的数值方法之一，它基于质量、动量和能量守恒的控制方程，将求解域离散化为有限数量的体积单元，通过对控制方程进行积分，将方程转化为代数方程组。
有限体积法介绍
有限体积法1 有限体积法基本原理上一章讲到的有限差分法将数值网格的节点上定义为计算节点，并在网格节点上对微分形式的流体基本方程进行离散，用网格节点上的物理量的代数方程作为原PDE 的近似。
在本章所要学习的有限体积法则采用了不同的离散形式。
首先，有限体积法离散的是积分形式的流体力学基本方程：•d q ds ds SS⎰⎰⎰ΩΩ+∇⋅Γ=⋅φφρφn n v(1)计算域用数值网格划分成若干小控制体。
和有限差分法不同的是，有限体积法的网格定义了控制体的边界，而不是计算节点。
有限体积法的计算节点定义在小控制体部。
一般有限体积法的计算节点有两种定义方法，一种是将网格节点定义在控制体的中心，另一种方法中，相邻两个控制体的计算节点到公共边界的距离相等。
第一种方法的优点在于用计算节点的值作为控制体上物理量的平均值具有二阶的精度；第二种方法的好处是在控制体边界上的中心差分格式具有较高的精度。
积分形式的守恒方程在小控制体和计算域上都是成立的。
为了获得每一个控制体上的代数方程，面积分和体积分需要用求面积公式来近似。
2 面积分的近似采用结构化网格，在二维情况下，每一个控制体有4个面，二维情况，每一个控制体有6个表面。
计算节点用大写字母表示，控制体边界和节点用小写字母表示。
为了保证守恒性，控制体不能重叠，每一个面都是相邻两个控制体的唯一公共边界。
控制体边界上的积分等于控制体个表面的积分的和：∑⎰⎰=kS Skfds fdS(2)上式中，f 可以表示n u ρφ或n∂∂Γφ。
显然，为了获得边界上的积分，必须知道f 在边界上的详细分布情况，这是不可能实现的，由于只是计算节点上的函数值，因此必须采用近似的方法来计算积分。
整个近似过程分成两步第一步：用边界上几个点的近似积分公式第二步：边界点上的函数值用计算节点函数值的插值函数近似 面积分可采用以下不同精度的积分公式： 二阶精度积分：e e e e S e Sf S f fds F e≈==⎰(3)上式中e f 为边界中点出的函数值。
CFD基本理论
2u x2
i, j
h2
1 6
3u x3
i, j
h3
1 24
4u x4
i, j
h4
L
于是
u x i, j
1 h
(ui1,
j
ui,
j)
1 2
2u x2
i, j
h
1 6
3u x3
i,
j
h2
1 24
4u x4
i,
j
h3
L
可以写成
u x
i, j
1 h
l(u) 0 差分数值解
◆方程的离散， ◆求解域（时+空） 的离散， ◆代数方程的求解。
第二章 计算流体力学的基本理论
2.2 差商
差商近似；一阶，二阶导数的偏心差，中心差格式
一阶微商的定义；
u x
|(
x0
,
y0
)
Lim
x0
u(
x0
x,
y0 ) x
u(
x0
,
y0
)
若取消取极限过程，用 u( x0 x, y0 ) u( x0 , y0 )
(ui1, j
ui, j ) O h
其中
O
h
1 2
2u x2
i,
j
h
1 6
3u x3
i,
j
h2
1 24
4u x4
i,
j
h3
L
第二章 计算流体力学的基本理论
◆ 前差分
u x
i, j
1 h
ui1, j ui, j
O h
◆ 后差分
u x
i, j
教学课件：第1章-有限体积法
在应用中，有限体积法能够处理复杂的多物理场耦合问题，如流体与结 构的相互作用、热力电化学反应等，为复杂系统设计和优化提供重要依 据。
04
有限体积法的优缺点
教学与人才培养
为了更好地推广和应用有限体积法， 需要加强教学和人才培养工作。例如 ，在高校开设相关课程，介绍有限体 积法的基本原理和应用实例；组织学 术交流活动，促进研究人员之间的合 作与交流；提供实践机会，让学生在 实际项目中锻炼和掌握有限体积法的 应用技能。
THANKS
感谢观看
在应用中，有限体积法能够处理复杂 的流动问题，如湍流、分离流和多相 流等，为工程设计和优化提供重要依 据。
通过将连续的流体离散成有限个控制 体，有限体积法能够求解流体动力学 的控制方程，如Navier-Stokes方程， 得到流场的数值解。
有限体积法在传热学中的应用
传热学是研究热量传递规律的科学，有限体积法在传热学中广泛应用于数值传热学 模拟。
通过具体的应用实例，如一维稳态对 流方程、二维非稳态对流方程等，展 示了有限体积法的计算过程和结果。 这些实例表明，有限体积法能够准确 地模拟流体流动和传热过程，为工程 实际问题提供了有效的数值解决方案 。
有限体积法的局限性 和改进方向
尽管有限体积法具有许多优点，但在 某些情况下也存在一些局限性，如处 理复杂边界条件、非均匀网格划分等 问题。为了提高计算精度和效率，未 来的研究可以针对这些局限性进行改 进，如开发更高效的数值格式、研究 自适应网格技术等。
有限体积法的优点
精度高
有限体积法在计算流体 动力学问题时，能够得 到高精度的数值结果。
CFD第四章(2)
XJTU
3.对流扩散问题的有限体积方法 3.对流扩散问题的有限体积方法
离散格式的特性
守恒特性(conservativeness) 相容特性(boundedness) 迁移特性(transportiveness)
计算流体动力学课程
2005年 西安 2005年3月
XJTU
3.对流扩散问题的有限体积方法 3.对流扩散问题的有限体积方法
XJTU
3.对流扩散问题的有限体积方法 3.对流扩散问题的有限体积方法
一维稳态对流扩散
条件1 条件1
u = 0.1m/s
0 0 φ1 1.1 1.55 − 0.55 1.0 − 0.45 0 0 φ 2 0 0 − 0.55 1.0 − 0.45 0 φ 3 = 0 0 0 − 0.55 1.0 − 0.45 φ 4 0 0 0 − 0.55 1.45 φ 5 0 0
计算流体动力学课程
2005年 西安 2005年3月
XJTU
3.对流扩散问题的有限体积方法 3.对流扩散问题的有限体积方法
一维稳态对流扩散
Байду номын сангаас
条件2 条件2
u = 2.5m/s F = ρu
=2.5
D = Γ/ δ x
=0.1/0.2=0.5
φ A =1 φ B =0
计算流体动力学课程
2005年 西安 2005年3月
计算流体动力学课程
2005年 西安 2005年3月
XJTU
3.对流扩散问题的有限体积方法 3.对流扩散问题的有限体积方法
离散格式的特性－ 离散格式的特性－守恒特性
(φ − φ ) (φ 2 − φ1 ) (φ − φ ) Γe1 − q A + Γe 2 3 2 − Γw 2 2 1 δx δx δx (φ − φ ) (φ − φ ) + Γe 3 4 3 − Γw3 3 2 δx δx (φ − φ ) + qB − Γw 4 4 3 = qB − q A δx
计算流体动力学CFD简介
“开始”→“程序”→Fluent Inc Products→Fluent 6.2.16→Set environment， 单击Set environment，就会进入如图3-3所示的对话框。单击“是”按钮 就设 置好了Fluent的环境变量。
图3-3 系统提示设置Fluent的环境变量
选择“开始”→“程序”→Fluent Inc Products→Gambit2.2.30→Set environment，单击Set environment，进入如图3-4所示的对话框。单击 “是”按钮就设置好了Gambit的环境变量。另外，注意以上两种环境变 量设置好后需要重启系统，否则仍会提示找不到环境变量。
图3-2 各软件之间的关系图
2.3 Fluent软件包的安装及其运行
2.3.1 Fluent软件包的安装
Fluent的安装顺序如下： (1) 安装Exceed。推荐安装Exceed6.2版本。 (2) 安装Gambit。单击Gambit的安装，按照提示就可以完成安装，推 荐安装Gambit2.2.30。 (3) 安装Fluent。单击Fluent安装文件，按照提示就可以完成安装, 推 荐安装Fluent6.2..016。 一般来说，Fluent和Gambit的安装推荐使用默认安装设置。当按照以 上的安装步骤安装完毕以后，还要对Fluent和Gambit的环境变量进行设置 。
7.导热与对流换热耦合问题。 8.辐射换热。 9.惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟。 10.多运动坐标系下的流动问题。 11.化学组分混合与反应。 12.可以处理热量、质量、动量和化学组分的源项。 13.用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相（颗粒、水滴、气泡等）。 14.多孔介质流动。 15.一维风扇、热交换器性能计算。 16.两相流问题。 17.复杂表面形状下的自由面流动。
CFD模拟仿真理论知识：理解与应用
CFD模拟仿真理论知识：流体仿真应用
本文将介绍CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）模拟仿真理论知识的原理、方法和应用。
通过本文对CFD的深入理解，并了解如何运用这一理论解决实际问题。
一、CFD模拟仿真理论知识概述
CFD是一种通过计算机模拟和分析流体流动、传热、化学反应等自然现象的学科。
它广泛应用于航空航天、能源、建筑、环境科学、生物医学等领域。
CFD模拟仿真理论知识是CFD的核心，它包括流体动力学基本原理、数值计算方法和计算机程序设计等。
二、CFD模拟仿真基本原理和方法
1.基本原理：CFD基于牛顿第二定律和连续介质假设，通过数值方法求解流体控制方程，如Navier-Stokes方程，以获得流场的定量描述。
2.数值计算方法：常用的CFD数值计算方法包括有限差分法（Finite Difference Method，FDM）、有限元法（Finite Element Method，FEM）、有限体积法（Finite V olume Method，FVM）等。
这些方法将连续的流体流动问题离散为一系列离散点上的数值计算问题，通过求解这些离散点上的数值，得到流场的近似解。
3.计算机程序设计：为了实现CFD模拟仿真的自动化，我们需要编写计算机程序。
常用的编程语言包括Fortran、C++、Python等。
程序应包含建模、离散化、求解和后处理等步骤。
三、CFD模拟仿真难点与挑战。
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2. 有限体积方法基本原理
2.3 有限体积法与差分法的比较
U F G 0
U
1
u
J v
e
U%
F
1 J
uU%
x
p
vU%
e p
Uy%p
V%
G
1 J
uV%
叶根倒角网格
2. 有限体积方法基本原理
Lax-Wendroff一类格式的一个问题：
Lax-Wendroff格式：
un1 i
uin
2
un i 1
un i 1
2
2
un i 1
2uin
un i 1
a t
x
u a
t 2x
1. 计算网格
结构化网格
优点：内存小、运算速度快、易于使用高阶格式、精度高 缺点：难以处理复杂边界问题（解决方案：多块网格、重叠 网格、Chimera网格 / Dragon网格）
非结构网格
优点：容易处理复杂边界问题 缺点：计算精度不容易保证（解决方案：结构/非结构混合 网格）、运算速度慢、内存需求大
2. 有限体积方法基本原理
2.6 边界单元的处理
网格节点有限体积离散：积分到边界
第四步：离散的控制方程组的求解
（离散系统的求解方法）
接下来的课程内容：
计算网格 有限体积方法基本原理 对流通量计算格式基本原理 时间离散及离散系统的求解方法 边界条件 湍流模型
1. 计算网格
空间离散的结构化网格：
1. 计算网格
空间离散的非结构网格：
1. 计算网格
Cartesian grid：
非连续对接网格
1. 计算网格
叶轮机械CFD中常用网格结构：
涡轮中的O－H型网格
1. 计算网格
叶轮机械CFD中常用网格结构：
涡轮中的H-C型网格
1. 计算网格
叶轮机械CFD中常用网格结构：
叶尖削尖处理
1. 计算网格
叶轮机械CFD中常用网格结构：
叶尖间隙内的蝶型网格
1. 计算网格
叶轮机械CFD中常用网格结构：
2.5 N-S方程组的有限体积离散
S
q x
dS
qdlx
S
q
x
1 S
S
q lx
＋
－
＋
－
＋
－
2. 有限体积方法基本原理
2.5 N-S方程组的有限体积离散
q
x
1 S
S
q lx
2. 有限体积方法基本原理
2.6 边界单元的处理
网格中心有限体积离散：使用虚单元方法
i, j 1
i,
j
1 2
i
1,
ji
1 2
,
j
i,
j
i 1, j
i
1 2
,
j
i,
j
1 2
i, j 1
t
QS
i, j
(Fˆ
Fˆ
)i
1 2
,
j
(Fˆ
Fˆ
)i
1 2
,
j
(Fˆ
Fˆ
)i,
j
1 2
(Fˆ
Fˆ
)i,
j
1 2
0
2. 有限体积方法基本原理
0
xx
E
xy xz
u xx v xy w xz
qx
0
yx
F
yy yz
u yx v yy w yz
qy
0
zx
1. 计算网格
叶轮机械CFD中常用网格结构：
O-H-H-H 型网格
1. 计算网格
叶轮机械CFD中常用网格结构：
O-H-H-H 型网格
1. 计算网格
叶轮机械CFD中常用网格结构：
O-H-H-H 型网格
1. 计算网格
叶轮机械CFD中常用网格结构：
H-I-H型网格
1. 计算网格
叶轮机械CFD中常用网格结构：
其它
Cartisian网格（高雷诺数粘性流动不好）、无网格
1. 计算网格
多块结构化网格：
1. 计算网格
1. 计算网格
结构化嵌套网格：
1. 计算网格
1. 计算网格
1. 计算网格
结构化嵌套网格：
1. 计算网格
结构化嵌套网格：
1. 计算网格
Dragon 网格：
1. 计算网格
非结构－结构化混合网格：
G
zy zz
u zx v zy w zz
qz
2. 有限体积方法基本原理
2.1 积分形式的流体控制方程组
t
Q d F
Fv
ndS
0
u
Q
w
x
p
veV%pVy%p
J
1
x y x y
x Jy
,
y Jx
,
x Jy
,
y Jx
2. 有限体积方法基本原理
2.4 Euler方程组的有限体积离散
积分形式的二维Euler方程组：
Q dS
F n dl 0
结构化网格的单元中心离散方法
2. 有限体积方法基本原理
2.2 有限体积空间离散方法
非结构化网格的单元中心离散方法
2. 有限体积方法基本原理
2.2 有限体积空间离散方法
结构化网格的节点中心离散方法
2. 有限体积方法基本原理
2.2 有限体积空间离散方法
非结构化网格的节点中心离散方法
2. 有限体积方法基本原理
t S
S
Q
u
E
F
V
ppji
2. 有限体积方法基本原理
2.4 Euler方程组的有限体积离散
i, j 1
i,
j
1 2
i
1,
ji
1 2
,
j
i,
j
i 1, j
i
1 2
w
E
u
u
2
p
E uv
uw
E pu
v
v u
F v2 p
vw
E pv
w
wu
G wv
w2 p
E pw
d
V
ndS
0
t
动量守恒：
Vd
V (V
n)dS
ndS
t
能量守恒：
Ed
E(V
n)dS
V
(
n)dS
q ndS
t
2. 有限体积方法基本原理
2.2 有限体积空间离散方法
t
Q d
F
Fv
n dS
0
t
Q i, j,k
Fˆ Fˆv n S 0
t
Q i, j,k
Ri, j,k
0
2. 有限体积方法基本原理
2.2 有限体积空间离散方法
CFD基础与应用
有限体积方法基本原理
一个CFD计算的流程：
一个CFD计算的流程：
一个CFD计算的流程：
一个CFD计算的流程：
一个CFD计算的流程：
一个CFD计算的流程：
第一步：划定计算域
（问题的特点、边界条件、……）
第二步：生成计算网格
（计算域的空间离散）
第三步：控制方程组的离散
（方程组的空间离散、时间离散）
xxi
xy
j
fy1xiify2yjj
f1 u xx yx qx f2 u xy yy qy
ij
2Sij
2 3
ij
uk xk
uij
2. 有限体积方法基本原理
2.5 N-S方程组的有限体积离散
2.2 有限体积空间离散方法
角点格式
2. 有限体积方法基本原理
2.2 有限体积空间离散方法
2. 有限体积方法基本原理
2.2 有限体积空间离散方法
2. 有限体积方法基本原理
2.2 有限体积空间离散方法
2. 有限体积方法基本原理
2.3 有限体积法与差分法的比较
有限体积方法的优点： （1）自然保证守恒 （2）对于例如激波等弱解数学适定 （3）可在非结构网格上应用