控制方程离散化方法和压力插值方法

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有限体积法的精髓就是:存储在单元中心的流场变量必须插值到控制体面上。
通过Gauss散度定理,对控制方程进行积分,将体积分转化为面积分,将对流与扩散项化成如下格式:
- First-Order Upwind - 易收敛,一阶精度,可能引起伪扩散
- Second-Order Upwind - 尤其适用于流动和网格方向不一致的三角形/四面体网格,二阶精度,收敛慢,减轻伪扩散。
- Power Law - 对低雷诺数流动(Recell<5)比一阶格式精确。
- Monotone Upstream-Centered Schemes for Conservation Laws
(MUSCL)
- 对非结构网格,局部三阶精度,对旋转涡,二次流,力等的预测更加准确。 - Quadratic Upwind Interpolation (QUICK) - 使用于四边形/六面体以及混合网格,对旋转流动有用,在均匀网格上能达到三阶精度。可以减轻伪扩散。
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为了得到扩散通量,速度导数,以及高阶离散格式,都要求解变量的梯度,梯度的插值方法有如下几种:
- 单元中心的变量梯度可由以下方法得到:
- Green-Gauss Cell-Based - 可能会引起伪扩散(单元基)
- Green-Gauss Node-Based - 更精确,更少伪扩散,建议对三角形/四面体网格使用。
- Least-Squares Cell-Based - 建议对多面体网格使用,精度和属性同node-based.
- 单元面上的变量梯度由多级泰勒级数展开来求(扩散项常用中心差分格式来求)。
使用分离式算法时,压力插值方法有:
- Standard - 对于近边界的沿面法向存在大压力梯度流动,精度下降。如果存在压力突变(压力梯度很大),建议使用PRESTO!)
- PRESTO! - 用于高度旋流,包括压力梯度突变(风扇模型等), 或者计算域存在大曲率的面。
- Second Order - 用于可压缩流。
- Body Force Weighted - 用于大体积力的情况。如高瑞利数自然对流,或者高旋流。
压力速度耦合:压力基求解器通过连续性方程和动量方程导出压力修正方程。
FLUENT中的4中耦合方式:
- SIMPLE - 默认算法,稳健性好,
- SIMPLEC - 对简单问题,比SIMPLE 收敛更快。如层流
- PISO - 对非稳态问题或高扭曲度网格适用
- FSM - 对非稳态问题适用,和NITA合用,类似于PISO