流热仿真课后作业

流热仿真课后作业-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

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，对包含流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD可以看作是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。通过这种模拟我们可以得到极其复杂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。

什么叫控制方程常用的控制方程有哪几个各用在什么场合

答：（1）流体流动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。如果流动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，而控制方程是这些守恒组分守恒定律，而控制方程是这些守恒定律的数学描述。

（2）①质量守恒方程：任何流动问题都必须满足；②动量守恒方程：任何流动系统都必须满足；③能量守恒方程：包含有热交换的流动系统必须满足。试写出变径圆管内液体流动的控制方程及其边界条件（假定没有热交换），并写出用CFD来分析时的求解过程。注意说明控制方程如何使用。

第二章

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控制方程的区别，说明在时间域上离散控制方程的基本思想及方法？

分析比较中心差分格式、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

湍流流动的特征是什么？

答：Reynolds数值大于临界值，流动呈现无序的混乱状态。这时，即使边界条件保持不变，流动也是不稳定的，速度等流动特性都随机变化。

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—ε模型方程的解法及适用性？

Realizable K—ε模型的适用模型？

答：Realizable K—ε模型已被有效地用于各种不同类型的流动模拟，包括旋转均匀剪切流、包含有射流、混合流的自由流动、管道内流动、边界层流动、以及带有分离的流动等。

LES方法的基本思想如何？它与DNS方法有怎样的联系和区别它的控制方程组与时均化方法的控制方程有什么异同

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。（2）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动作任何简化或近似，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LES。

（3）LES方法的控制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动而DNS考察脉动的影响，把湍流运动看作是时间平均流动和瞬时脉动流动的叠加。

简述标准K—ε模型的基本思想及相应的控制方程组，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ε的方程，形成K—ε两方程模型。

（2）控制方程组：见课本P121的4.24和4.25公式。

（3）如何计算问题：在标准K—ε模型中，对于Keynolds应力各个分量，假定粘度系数Mt是相同的，即假定Mt是各向同性的标量。而在弯曲流线情况下，湍流是各向异性的，Mt应该是各项异性的张量。

简述什么是高Re数湍流模型。试对标准K—ε模型、低Re数K—ε模型、RNG K—ε模型、Realizable K—ε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：流体试验表明，当Reynolds数小于某一临界值时，流动是平滑的相邻的流体层被彼此有序地流动，这种流动称作层流；当Reynolds数大于临界值时，会出现一系列复杂的变化，最后导致，流动特征的本质变化，流动呈现无序的混乱状态，这时，即使是边界条件保持不变，流动也是不稳定的，速度等流动特征都随机变化，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发展非常充分的湍流流动来建立的。在近壁区内的流动，湍流发展并不充分，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，流动可能处于层流状态，故，对Re数较低的流动使用上述建立的K—ε模型计算，就会出现问题。于是用壁面函数法或采用低Re数的模型。以低Re数K—ε模型为例：对高Re数K—ε模型进行修改：①控制方程扩散系数同时包括湍流扩散系数与分子扩散系数两部分。②考虑不同流态影响。③壁面附近湍动能的耗散不是各向同性的。在此基础上写Re数K —ε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 —ε模型计算该流程的控制方程及其边界条件，说明用数值方法求解控制方程组的步骤。

第五章

什么叫边界条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

研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况，对于瞬态问题，必须给定初始条件，稳态问题，则不用给定。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：①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。②壁面、重复、轴类边界：壁面、对称、周期、轴。③内部单元区域：流体、固体。④内部表面边界：风扇、散热器、多孔介质阶跃、内部界面。

第六章

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，对于复杂的CFD问题，网格生成极为耗时，且极易出错，生成网格所需时间常常大于实际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，对于复杂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无法用一个固定的法则予以有序地命名，网格的生成过程比较复杂，但却有着极好的适应性，尤其对于具有复杂边界条件的流场计算问题特别有效。非结构网格一般通过专门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网格单元还有四面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）因为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，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，如果模型中包含有多个区域，如同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，那么必须指定区域的类型和边界，将各区域区分开来。

（2）①每一种求解器都提供了多种类型的边界，如FLUENT中提供了WALL（壁面）、OUTLET(出口)、SYSMETRY（对称面）等10多种边界，一般情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，否则在FLUENT中没法区分。②许多CFD求解器提供了Fluid（流体）和Solid（固体）两种区域类型。若网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，如果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（网格主要由四面体组成，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