计算传热学第2节-第1章有限体积法.ppt

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1、asdf Sun Jining 2008 BUAA,1,上节回顾,上节回顾“计算传热学”中的“计算”指的是“数值计算”，又叫“数值仿真”、“数值模拟”，是一种将物理方程转化为代数方程组并利用计算机求解代数方程组的计算机技术（有限体积法、有限元法、有限差分法）“数值计算”用代数方程组有限位数迭代解近似物理解“计算传热学”是利用数值计算的方法研究热传递规律的科学计算传热学主要物理方程为能量守恒方程计算传热学主要变量为温度和焓,asdf Sun Jining 2008 BUAA,2,绪论,上节回顾出现的术语：“计算传热学”“数值计算”“数值模拟”“数值仿真”“物理解”“理论解”“物理方程”“定解条件

2、”“有限体积法”“有限元法”“有限差分法”“数值解”“空间离散”“网格”“时间离散”“代数方程组”“矩阵”“迭代”“收敛”“理论误差”“离散误差”“迭代误差”“舍入误差”“数值误差”“代数方程组有限位数迭代解”“能量守恒方程”,asdf Sun Jining 2008 BUAA,3,1 有限体积法,从万有引力定律开始,asdf Sun Jining 2008 BUAA,4,1 有限体积法,从万有引力定律开始,asdf Sun Jining 2008 BUAA,5,1 有限体积法,从万有引力定律开始,asdf Sun Jining 2008 BUAA,6,该式描述了两个可以看作质点的物体之间的万

3、有引力。如果质点的前提不存在，即物体自身尺寸和物体之间的距离相当，如何计算它们之间的万有引力呢？,1 有限体积法,从万有引力定律开始,切土豆土豆块（质点）A土豆质点与B土豆质点间的力A土豆及B土豆受力分布A土豆受到的合力（即A、B土豆间的万有引力）数值计算的基本思想：复杂的研究对象若干个子对象将基本物理定律应用到子对象获得物理现象细节总的参数,7,asdf Sun Jining 2008 BUAA,第1章 有限体积法(FVM)Finite Volume Method,孙纪宁,计算传热学,asdf Sun Jining 2008 BUAA,8,1 有限体积法,能量守恒方程有限体积方法的基本思想小

4、结与讨论,asdf Sun Jining 2008 BUAA,9,1 有限体积法,能量守恒方程有限体积方法的基本思想小结与讨论,asdf Sun Jining 2008 BUAA,10,1 有限体积法,能量守恒方程,TL,IU,TR,，c，,asdf Sun Jining 2008 BUAA,11,1 有限体积法,能量守恒方程,，c，,asdf Sun Jining 2008 BUAA,12,1 有限体积法,能量守恒方程,，c，,IU,asdf Sun Jining 2008 BUAA,13,1 有限体积法,能量守恒方程,，c，,IU,内能增加的原因：1.各个表面传热2.内部热源在一定时间内，

5、立方体内的内能增加量(UP)各表面传热量(QT)热源产生的热量(ST),asdf Sun Jining 2008 BUAA,14,1 有限体积法,能量守恒方程,x,y,z,，c，,IU,内能增加量(UP)UPt1=(cT)Pt1，t1时刻，立方体内的体平均内能密度UPt2=(cT)Pt2，t2时刻，立方体内的体平均内能密度UP=UPt2xyz-UPt1xyz=(UPt2-UPt1)xyz=(cT)Pt2-(cT)Pt1)xyz,asdf Sun Jining 2008 BUAA,15,1 有限体积法,能量守恒方程,x,y,z,，c，,IU,各表面传热量(QT)傅立叶定律：q=-(T/n)qw=

6、(-(T/x)w，从t1时刻到t2时刻时间段内，在yz左侧面(西面w)流向立方体内部的面时平均热流密度qe=(T/x)e，从t1时刻到t2时刻时间段内，在yz右侧面(东面e)流向立方体内部的面时平均热流密度假设其余4面绝热QT=qwyzt+qeyzt=(qw+qe)yzt=(-(T/x)w+(T/x)e)yzt=(T/x)e-(T/x)w)yzt,asdf Sun Jining 2008 BUAA,16,1 有限体积法,能量守恒方程,x,y,z,，c，,IU,热源产生的热量(ST)SP，从t1时刻到t2时刻时间段内，立方体空间内发热电阻的体时平均发热功率ST=SPxyzt,asdf Sun J

7、ining 2008 BUAA,17,1 有限体积法,能量守恒方程,x,y,z,，c，,IU,在一定时间内，立方体内的内能增加量(UP)各表面传热量(QT)热源产生的热量(ST)即UP=QT+STUP=(cT)Pt2-(cT)Pt1xyzQT=(T/x)e-(T/x)w)yztST=SP xyzt 即(cT)Pt2-(cT)Pt1)xyz=(T/x)e-(T/x)w)yzt+SPxyzt(cT)Pt2-(cT)Pt1)/t=(T/x)e-(T/x)w)/x+SP(cT)/t=(T/x)/x+S,asdf Sun Jining 2008 BUAA,18,1 有限体积法,能量守恒方程,x,y,z,

8、，c，,IU,(cT)Pt2-(cT)Pt1)xyz=(T/x)e-(T/x)w)yzt+SP xyzt,非稳态项,扩散项,源项,asdf Sun Jining 2008 BUAA,19,1 有限体积法,能量守恒方程有限体积方法的基本思想小结与讨论,20,asdf Sun Jining 2008 BUAA,计算传热学中场休息WC&Sleep Break8 minites仔细讲，大约41分钟,asdf Sun Jining 2008 BUAA,21,1 有限体积法,能量守恒方程有限体积方法的基本思想小结与讨论,asdf Sun Jining 2008 BUAA,22,将整个求解域划分为n个立方体

9、区域,1 有限体积法,有限体积方法的基本思想,t2时刻,t1时刻,asdf Sun Jining 2008 BUAA,23,将整个求解域划分为n个立方体区域，从t1到t2时刻，每立方体能量守恒方程：(cT)Pt2-(cT)Pt1)xyz=(T/x)e-(T/x)w)yzt+SPxyzt,1 有限体积法,有限体积方法的基本思想,t2时刻,t1时刻,体平均量 每时间步n个未知数,面时平均量,体时平均量,asdf Sun Jining 2008 BUAA,24,将整个求解域划分为n个立方体区域，从t1到t2时刻，每立方体能量守恒方程：(cT)Pt2-(cT)Pt1)xyz=(T/x)e-(T/x)w

10、)yzt+SPxyzt,1 有限体积法,有限体积方法的基本思想,体平均量 每时间步n个未知数,面时平均量 每时间步n-1个未知数,体时平均量,t2时刻,t1时刻,asdf Sun Jining 2008 BUAA,25,将整个求解域划分为n个立方体区域，从t1到t2时刻，每立方体能量守恒方程：(cT)Pt2-(cT)Pt1)xyz=(T/x)e-(T/x)w)yzt+SPxyzt,1 有限体积法,有限体积方法的基本思想,体平均量 每时间步n个未知数,面时平均量 每时间步n-1个未知数,体时平均量 每时间步n个未知数,t2时刻,t1时刻,asdf Sun Jining 2008 BUAA,26,

11、将整个求解域划分为n个立方体区域，从t1到t2时刻，每立方体能量守恒方程：(cT)Pt2-(cT)Pt1)xyz=(T/x)e-(T/x)w)yzt+SPxyzt,1 有限体积法,有限体积方法的基本思想,体平均量 每时间步n个未知数,面时平均量 每时间步n-1个未知数,体时平均量 每时间步n个未知数,每时间步未知数总数：n+(n-1)+n=3n-1独立方程总数：n,asdf Sun Jining 2008 BUAA,27,将整个求解域划分为n个立方体区域，从t1到t2时刻，每立方体能量守恒方程：(cT)Pt2-(cT)Pt1)xyz=(T/x)e-(T/x)w)yzt+SPxyzt,1 有限体

12、积法,有限体积方法的基本思想,体平均量 每时间步n个未知数,面时平均量 每时间步n-1个未知数,体时平均量 每时间步n个未知数,每时间步未知数总数：n+(n-1)+n=3n-1独立方程总数：n,t2时刻,t1时刻,现在到了决定有限体积法成败关键时刻！,该如何解决未知数个数大于独立方程总数的难题？,asdf Sun Jining 2008 BUAA,28,将整个求解域划分为n个立方体区域，从t1到t2时刻，每立方体能量守恒方程：(cT)Pt2-(cT)Pt1)xyz=(T/x)e-(T/x)w)yzt+SPxyzt,1 有限体积法,有限体积方法的基本思想,体平均量 每时间步n个未知数,面时平均量

13、 每时间步n-1个未知数,体时平均量 每时间步n个未知数,每时间步未知数总数：n+(n-1)+n=3n-1独立方程总数：n以几何中心点的值为核心量：每时间步立方体几何中心点的温度值Tp，密度p，导热系数p，源项SPn个未知数n个体平均量、n-1个面时平均量、n个体时平均量均通过中心点的量Tp，p，p，SP插值获得,t2时刻,t1时刻,asdf Sun Jining 2008 BUAA,29,将整个求解域划分为n个立方体区域，从t1到t2时刻，每立方体能量守恒方程：(cT)Pt2-(cT)Pt1)xyz=(T/x)e-(T/x)w)yzt+SPxyzt,1 有限体积法,有限体积方法的基本思想,体

14、平均量 每时间步n个未知数,面时平均量 每时间步n-1个未知数,体时平均量 每时间步n个未知数,每时间步未知数总数：n+(n-1)+n=3n-1独立方程总数：n以几何中心点的值为核心量：每时间步立方体几何中心点的温度值Tp，密度p，导热系数p，源项SPn个未知数n个体平均量、n-1个面时平均量、n个体时平均量均通过中心点的量Tp，p，p，SP插值获得,t2时刻,t1时刻,这种插值处理方法解决了独立方程数目不够的问题！,asdf Sun Jining 2008 BUAA,30,将整个求解域划分为n个立方体区域，从t1到t2时刻，每立方体能量守恒方程：(cT)Pt2-(cT)Pt1)xyz=(T/

15、x)e-(T/x)w)yzt+SPxyzt,1 有限体积法,有限体积方法的基本思想,体平均量 每时间步n个未知数,面时平均量 每时间步n-1个未知数,体时平均量 每时间步n个未知数,t2时刻,t1时刻,体平均量假设、c、T在空间上阶梯型分布，立方体内的各处值相等，则密度、比热、温度的体平均量等于中心点密度、比热、温度UP=(cT)Pt2-(cT)Pt1)xyz PcP(TPt2-TPt1)xyz,P,E,W,xP,e,w,asdf Sun Jining 2008 BUAA,31,将整个求解域划分为n个立方体区域，从t1到t2时刻，每立方体能量守恒方程：(cT)Pt2-(cT)Pt1)xyz=(

16、T/x)e-(T/x)w)yzt+SPxyzt,1 有限体积法,有限体积方法的基本思想,体平均量 每时间步n个未知数,面时平均量 每时间步n-1个未知数,体时平均量 每时间步n个未知数,t2时刻,t1时刻,面时平均量假设在空间上分段线性分布，在时间上阶梯分布，则温度梯度的面时平均量等于上一时间步两侧中心点的温度差分QT=(T/x)e-(T/x)w)yzt(T/x)et1-(T/x)wt1)yzt(e(TEt1-TPt1)/xe-w(TPt1-TWt1)/xw)yzt,xe,P,E,W,xw,e,w,xP,asdf Sun Jining 2008 BUAA,32,将整个求解域划分为n个立方体区域

17、，从t1到t2时刻，每立方体能量守恒方程：(cT)Pt2-(cT)Pt1)xyz=(T/x)e-(T/x)w)yzt+SPxyzt,1 有限体积法,有限体积方法的基本思想,体平均量 每时间步n个未知数,面时平均量 每时间步n-1个未知数,体时平均量 每时间步n个未知数,t2时刻,t1时刻,体时平均量在空间上一般为已知函数，假设在时间上阶梯分布，则发热功率的体时平均量等于上一时间步的发热功率体平均量ST=SPxyzt SPt1xyzt,P,E,W,xe,xw,e,w,xP,asdf Sun Jining 2008 BUAA,33,将整个求解域划分为n个立方体区域，从t1到t2时刻，每立方体能量守

18、恒方程：(cT)Pt2-(cT)Pt1)xyz=(T/x)e-(T/x)w)yzt+SPxyzt,1 有限体积法,有限体积方法的基本思想,体平均量 每时间步n个未知数,面时平均量 每时间步n-1个未知数,体时平均量 每时间步n个未知数,每个立方体的有限体积方程：UPPcP(TPt2-TPt1)xyzQT(e(TEt1-TPt1)/xe-w(TPt1-TWt1)/xw)yztSTSPt1xyztPcP(TPt2-TPt1)xyz(e(TEt1-TPt1)/xe-w(TPt1-TWt1)/xw)yzt+SPt1xyztPcP(TPt2-TPt1)/t(e(TEt1-TPt1)/xe-w(TPt1-

19、TWt1)/xw)x+SPt1,asdf Sun Jining 2008 BUAA,34,将整个求解域划分为n个立方体区域，从t1到t2时刻，每立方体能量守恒方程：(cT)Pt2-(cT)Pt1)xyz=(T/x)e-(T/x)w)yzt+SPxyzt,1 有限体积法,有限体积方法的基本思想,体平均量 每时间步n个未知数,面时平均量 每时间步n-1个未知数,体时平均量 每时间步n个未知数,每个立方体的有限体积方程：UPPcP(TPt2-TPt1)xyzQT(e(TEt1-TPt1)/xe-w(TPt1-TWt1)/xw)yztSTSPt1xyztPcP(TPt2-TPt1)xyz(e(TEt1

20、-TPt1)/xe-w(TPt1-TWt1)/xw)yzt+SPt1xyztPcP(TPt2-TPt1)/t(e(TEt1-TPt1)/xe-w(TPt1-TWt1)/xw)x+SPt1,这种插值处理方法虽然解决了独立方程数目不够的问题，但同时也带来了数值误差！,asdf Sun Jining 2008 BUAA,35,将整个求解域划分为n个立方体区域，从t1到t2时刻，每立方体能量守恒方程：(cT)Pt2-(cT)Pt1)xyz=(T/x)e-(T/x)w)yzt+SPxyzt,1 有限体积法,有限体积方法的基本思想,体平均量 每时间步n个未知数,面时平均量 每时间步n-1个未知数,体时平均

21、量 每时间步n个未知数,每个立方体的有限体积方程：UPPcP(TPt2-TPt1)xyzQT(e(TEt1-TPt1)/xe-w(TPt1-TWt1)/xw)yztSTSPt1xyztPcP(TPt2-TPt1)xyz(e(TEt1-TPt1)/xe-w(TPt1-TWt1)/xw)yzt+SPt1xyztPcP(TPt2-TPt1)/t(e(TEt1-TPt1)/xe-w(TPt1-TWt1)/xw)x+SPt1,这种插值处理方法虽然解决了独立方程数目不够的问题，但同时也带来了数值误差！,当t、x趋于无限小时，1）能量守恒方程将从宏观形式变成微分形式1）TP插值获得的各个平均量近似值将趋于各

22、个平均量真实值2）插值误差将趋于03）有限体积方程将等价于能量守恒方程4）有限体积方程的解将等价于能量守恒方程的解,asdf Sun Jining 2008 BUAA,36,1 有限体积法,有限差分法,asdf Sun Jining 2008 BUAA,37,1 有限体积法,能量守恒方程,x,y,z,，c，,IU,在一定时间内，立方体内的内能增加量(UP)各表面传热量(QT)热源产生的热量(ST)即UP=QT+STUP=(cT)Pt2-(cT)Pt1xyzQT=(T/x)e-(T/x)w)yztST=SP xyzt 即(cT)Pt2-(cT)Pt1)xyz=(T/x)e-(T/x)w)yzt+

23、SPxyzt(cT)Pt2-(cT)Pt1)/t=(T/x)e-(T/x)w)/x+SP(cT)/t=(T/x)/x+S,asdf Sun Jining 2008 BUAA,38,1 有限体积法,能量守恒方程,x,y,z,，c，,IU,(cT)Pt2-(cT)Pt1)xyz=(T/x)e-(T/x)w)yzt+SP xyzt,非稳态项,扩散项,源项,(cT)/t=(T/x)/x+S,非稳态项,扩散项,源项,asdf Sun Jining 2008 BUAA,39,1 有限体积法,有限差分法,(cT)/t=(T/x)/x+S对某点(i，n)用网格点的差分代替微分(cT)/t=ici(Tin+1-

24、Tin)/t(T/x)/x=(i+1(T/x)i+1-i(T/x)i)/xT/x=(Ti+1-Ti)/x(T/x)/x=(i+1(Ti+2-Ti+1)/x-i(Ti+1-Ti)/x)/xici(Tin+1-Tin)/t=(i+1(Ti+2-Ti+1)/x-i(Ti+1-Ti)/x)/x+Sin,asdf Sun Jining 2008 BUAA,40,1 有限体积法,有限差分法与有限体积法对比有限差分法在微分方程基础上，直接使用节点值形成差分，数学处理简单，但物理意义不明确有限差分法缺乏守恒概念，无法保证全局守恒,asdf Sun Jining 2008 BUAA,41,1 有限体积法,能量守

25、恒方程有限体积方法的基本思想小结与讨论,asdf Sun Jining 2008 BUAA,42,1 有限体积法,小结与讨论相对于理论预测方法中的将求解空间区域划分为无穷多个无限小体积微分单元体的微分形式能量方程，数值仿真方法求解的方程是将求解区域划分为有限多个有限小体积单元体的宏观形式能量方程因此，“有限体积”指的是“有限小单元体”同时我们还要注意到一点，微分能量方程将求解时间段划分为无穷多个无限小时间段，宏观能量方程将求解时间段划分为有限数量有限小时间段因此，“有限体积”的广义理解是“有限小单元体有限小时间段”，或是四维时空坐标系的“有限小单元体”,asdf Sun Jining 2008

26、 BUAA,43,1 有限体积法,小结与讨论“有限小体积”的宏观能量方程中存在多于方程个数的未知平均量，所以需要选定等于方程个数的求解变量TP，其余未知平均量均用TP插值获得，从而获得可用于数值求解的有限体积方程在有限小体积趋于无限小，有限小时间段趋于无限小时，有限体积方程将趋于宏观能量方程，同时宏观能量方程将趋于微分能量方程因此我们说，有限体积法可以求解微分方程,asdf Sun Jining 2008 BUAA,44,1 有限体积法,小结与讨论有限体积法的特点1：通过守恒关系建立得出离散方程，不依赖于微分得到方程组；有限体积法的特点2：物理概念清晰，强调控制体内物理量的守恒,asdf Su

27、n Jining 2008 BUAA,45,1 有限体积法,小结与讨论将微分方程描述的连续时间和空间划分为一个个有限小体积和有限小时间段，是获得有限体积方程的前提，这个过程的术语叫做“离散”，相应的有限小体积称为“网格”，相应的有限小时间段称为“时间步长”,asdf Sun Jining 2008 BUAA,46,1 有限体积法,小结与讨论“离散误差”是指用TP等几何中心量插值获得其余未知平均量时产生的误差用更小的单元体可以减小“离散误差”。但单元体体积小到一定程度后，“离散误差”不再随之显著减小，此时的解称为“网格无关解”用更合适的插值公式可以减小“离散误差”。插值公式的术语是“差分格式”。

28、一般认为比较精确的数值解是采用高精度差分格式时获得的“网格无关解”,asdf Sun Jining 2008 BUAA,47,什么是计算,小结与讨论,功能要求,物理解,物理方程,理论解,代数方程,数值解,几何结构,简化结构,空间离散,网格,试验环境,定解条件,解析求解,开始试验,迭代求解,几何简化,物理简化,环境简化,近似,近似,时间离散,理论误差,离散误差,迭代误差,数值误差,舍入误差,asdf Sun Jining 2008 BUAA,48,绪论,小结与讨论出现的术语：“计算传热学”“数值计算”“数值模拟”“数值仿真”“物理解”“理论解”“物理方程”“定解条件”“有限体积法”“有限元法”“

29、有限差分法”“数值解”“空间离散”“网格”“时间离散”“代数方程组”“矩阵”“迭代”“收敛”“理论误差”“离散误差”“迭代误差”“舍入误差”“数值误差”“代数方程组有限位数迭代解”“能量守恒方程”“体平均”“面时平均”“体时平均”“傅立叶定律”“非稳态项”“扩散项”“源项”“时间步长”“网格无关解”“切土豆”,asdf Sun Jining 2008 BUAA,49,1 有限体积法,参考书数值传热学，陶文铨，西安交通大学出版社，1988 或 2001传热与流体流动数值计算，(美)帕坦卡(S.V.Patankar)著 张政译，1984,asdf Sun Jining 2008 BUAA,50,1 有限体积法,下节课安排一维稳态导热准备一门计算机语言,asdf Sun Jining 2008 BUAA,51,1 有限体积法,计算传热学作业作业：编写一维导热程序分组：自愿组合小组，每小组不超过3人。答辩：每小组准备一个PPT，时间8分钟，提问7分钟。PPT需包括：程序结构图；程序正确性验证算例；讨论由老师根据PPT及问题回答情况评分（满分100分）。作业成绩占期末总成绩70。,52,asdf Sun Jining 2008 BUAA,有限体积法(FVM)结束Finite Volume Method,孙纪宁,计算传热学,