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基于网格的方法

/grid-based method/
条目作者吴学红

吴学红

最后更新 2022-12-23
浏览 171
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在计算传热学领域中常用的有限差分法、有限体积法、有限元法、边界元法等基于网格划分的数值计算方法。

英文名称
grid-based method
所属学科
工程热物理及动力工程

有限差分法将求解域划分为差分网格,用有限个网格节点代替连续的求解域。有限差分法应用泰勒级数展开,把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行离散,从而建立以网格节点上的值为未知量的代数方程组。该方法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法,数学概念直观,表达简单,是发展较早且比较成熟的数值方法。有限差分方法主要适用于结构化网格的计算,网格的步长一般根据实际地形的情况和柯朗稳定条件来决定,是构建差分格式的最常用方法。

有限体积法又称控制体积法。其基本思路是:将计算区域划分为一系列不重叠控制容积,每个控制容积都有一个节点代表。通过将守恒性的待求解微分方程对控制容积做积分来导出离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量的数值。为了求出控制体积的积分,必须假定值在网格点之间的变化规律。有限容积法基本思路易于理解,并能得出直接的物理解释,导出离散方程具有明显的物理意义,是计算传热学领域应用最广的一种方法。现有最常用的计算传热学软件(如ANSYS FLUENT、STAR-CD、PHONEICS)均是基于此方法开发的。

有限元法的基础是变分原理和加权余量法,其基本求解思想是把连续求解区域划分成有限个互不重叠且相互连接的几何单元;在每一个单元内选择合适的节点作为插值点来构造单元插值函数,将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式,最后借助于变分原理或加权余量法,将微分方程在每个单元上进行离散,从而得到每个单元上的代数方程组,并按照节点的编排规则将单元的刚度矩阵和荷载组装成总刚度矩阵与总荷载的形式,进而求解得到节点上的变量值。有限元法有着很强的适用性,与其他的数值计算方法相比,在处理复杂边界问题有着很大的优势。采用不同的权函数和不同的插值函数,能构建出不同类型的有限元方法。有限元方法的最大优点是对不规则区域的适应性较好,但相比有限容积法其计算工作量较大。有限元方法最早应用于结构力学,后来随着计算机的发展用于计算传热学领域。

边界元法是应用格林函数公式,并通过选择适当的权函数把空间求解域上的偏微分方程转换成边界上的积分方程,它把求解区域中任一点的求解变量与边界条件联系起来;通过离散化处理,由积分方程导出边界节点上未知变量的代数方程。解出边界上的未知变量后就可以利用边界积分方程来获得内部任一点的被求函数值。边界元方法对传热反问题的计算具有较大的优势。

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