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流动传热控制方程

/governing equation of flow heat transfer/
条目作者敬成君

敬成君

最后更新 2023-03-17
浏览 169
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根据物理学三大守恒定律(即质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律)建立的描写流体运动及传热的数学表达式的基本方程组。

英文名称
governing equation of flow heat transfer
所属学科
工程热物理及动力工程

流动传热控制方程按照数学微积形式可分为积分形式和微分形式两种;按照不同流动模型可分为守恒型和非守恒型两种;按照数理性质还可以分为双曲型、抛物型和椭圆型三种;按照是否引入有假设、推测甚至猜测可分为精确型和近似型两种。

控制方程的积分形式是通过将物理学基本定律应用于有限控制体而得到的流体诸物理量之间的积分关系式;控制方程的微分形式是通过将物理学基本定律应用于微元控制体而得到的任意空间点上流体诸物理量之间的微分关系式。守恒型方程是基于空间位置固定的有限控制体或微元控制体所建立的方程;而非守恒型方程是基于随流体运动的有限控制体或微元控制体所建立的方程。双曲型方程是满足的控制方程,其中,为一般形式微分方程中的系数;满足的为抛物型方程;满足的为椭圆型方程。精确型方程是指按照物理学定律,不引入任何假设而建立的控制方程;近似型方程是指在物理学定律的基础上,引入合理的假设、推测甚至猜测而建立的控制方程。

前四种形式本质上是相同的,是同一个方程的不同形式,可以互相导出。积分形式的方程允许在空间位置固定的控制体内出现间断,而微分形式的控制方程假定流动参数是可微的,从而必须是连续的。在流动包含真实的间断(如激波)时,积分形式的方程比微分方程更基础、更重要。在通用控制方程中,守恒型与非守恒型控制方程的表达差异为:守恒型方程左端为,其对流项采用散度的形式来表示;而非守恒型的左端为,其对流项没有表述为散度形式。由于这个原因,守恒型控制方程有时又称控制方程的散度形式。但从数值计算的观点,守恒型方程有两个优点:一是在计算可压缩流动时,守恒型方程可以使激波的计算光滑而且稳定,而非守恒型方程的计算结果会在激波前后引起解的振荡,并导致错误的激波位置;二是在计算传热学中,只有守恒型方程才可以保证对有限大小的控制容积内所研究的物理量的守恒定律仍然得到满足,从非守恒型控制方程出发所导出的离散方程未必具有守恒特性。

双曲型、抛物型和椭圆型分类的不同反映出流场具有不同的物理特性,主要体现在解的依赖域与影响域之间的不同关系。一般情况下,椭圆型方程下任何一点的依赖域是一个完全包围此点的封闭曲线。抛物型和双曲型某一点的依赖域范围由通过该点的特征曲线与边界的交点决定。求解不同类型的方程,必须采用不同的数值方法,椭圆型方程的特点决定了其各节点上的离散方程必须联立求解,而抛物型和双曲型方程适用于步进法求解。

描写定常无黏流体的控制方程组,在亚声速流动时属于椭圆型方程,在超声速流动时属于双曲型方程。非定常无黏流动的控制方程属于双曲型。定常边界层流动的控制方程属于抛物型。对于定常不可压缩流,方程组为椭圆型。非定常热传导方程属于抛物型。

三维非稳态的纳维-斯托克斯方程是精确型,直接模拟时需要采用很小的时间与空间步长。

对于大尺度涡采用纳维-斯托克斯方程,对于小尺度涡采用近似模型而建立的流动传热控制方程属于近似型,数值计算采用大涡模拟方法可以减少计算工作量。

由于湍流运动的极端复杂性,没有描述湍流脉动量的精确方程,人们只能以大量的实验观测为基础,通过量纲分析、张量分析或其他手段,包括合理的推理和猜测,提出假设,建立湍流模型。因此,迄今为止,基于湍流模型的流动传热控制方程属于近似型,又称半经验型控制方程。在描述湍流的流动雷诺平均方法的基础上,依据确定湍流黏性系数的微分方程数目多少,又分为零方程模型、一方程模型及两方程模型等,其中最有名的是两方程模型,也归属近似型。近似型方程数学上的精确解也是物理上的近似解。

  • ANDERSON J D JR.Computationalfluid dynamics: the basics with applications.New York:McGraw-Hill,1995.
  • 约翰 D.安德森.计算流体力学基础及其应用.吴颂平,刘赵淼,译.北京:机械工业出版社,2007.
  • 陶文铨.数值传热学.2版.西安:西安交通大学出版社,2001.

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