流熱仿真課后作業(yè)

1、第一章計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的基本任務(wù)是什么？答：計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，簡稱CFD,是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對包含流體流淌和熱 傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。CFD可以看作是在流淌基本方程（質(zhì)量守恒方程、 動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程）掌握下對流淌的數(shù)值模擬。通過這種模擬我們可以得到極其 簡單問題的流場內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量（如速度、壓力、溫度、濃度）的分布，以及這 些物理量隨時(shí)間的變化，確定漩渦分布的特性、空化特性及脫流區(qū)等。什么叫掌握方程？常用的掌握方程有哪幾個(gè)？各用在什么場合？答：（1）流體流淌要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守 恒定律、能量守恒定律。假如流

2、淌包含了不同組分的混合成相互作用系統(tǒng)，還要遵守組分守 恒定律，而掌握方程是這些守恒組分守恒定律，而掌握方程是這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述。（2）質(zhì)量守恒方程：任何流淌問題都必需滿意；動(dòng)量守恒方程：任何流淌系統(tǒng)都必需 滿意；能量守恒方程：包含有熱交換的流淌系統(tǒng)必需滿意。試寫出變徑圓管內(nèi)液體流淌的掌握方程及其邊界條件（假定沒有熱交換），并寫出用CFD來 分析時(shí)的求解過程。留意說明掌握方程如何使用。其次章什么叫離散化？意義是什么？常用的離散化方法有哪些？各有何特點(diǎn)？簡述有限體積法的基本思想，說明其使用的網(wǎng)格有何特點(diǎn)？簡述瞬態(tài)問題與穩(wěn)態(tài)問題之掌握方程的區(qū)分，說明在時(shí)間域上離散掌握方程的基本思想及方 法？分析

3、比擬中心差分格式、一階迎風(fēng)格式、混合格式、指數(shù)格式、二階迎風(fēng)格式、QUICK格式 各自的特點(diǎn)及使用場合？第四章湍流流淌的特征是什么？答：Reynolds數(shù)值大于臨界值，流淌呈現(xiàn)無序的混亂狀態(tài)。這時(shí)，即使邊界條件保持不變, 流淌也是不穩(wěn)定的，速度等流淌特性都隨機(jī)變化。三維湍流數(shù)值模擬的方法分類？答：直接數(shù)值模擬方法、非直接數(shù)值模擬方法。標(biāo)準(zhǔn)k- 模型方程的解法及適用性？Realizable K一 模型的適用模型？答：Realizable K一模型已被有效地用于各種不同類型的流淌模擬，包括旋轉(zhuǎn)勻稱剪切流、 包含有射流、混合流的自由流淌、管道內(nèi)流淌、邊界層流淌、以及帶有分別的流淌等。LES方法的基本

4、思想如何？它與DNS方法有怎樣的聯(lián)系和區(qū)分？它的掌握方程組與時(shí)均化方 法的掌握方程有什么異同？答：（1） LES方法的主要思想是：用瞬時(shí)的N-S方程直接模擬湍流中的大尺度渦，不直接模 擬小尺度渦，而小渦對大渦的影響通過近似的模型來考慮。LES和DNS是湍流數(shù)值模擬常用的方法，DNS是直接用瞬時(shí)的N-S方程對湍流進(jìn)行計(jì) 算，最大好處是無需對湍流流淌作任何簡化或近似，理論上可以得到相對精確的計(jì)算結(jié)果, 是直接數(shù)值模擬方法，而LES是非直接數(shù)值模擬方法，同時(shí)，DNS對內(nèi)存空間及計(jì)算速度的 要求高于LESoLES方法的掌握方程組不考慮脈動(dòng)對湍流運(yùn)用的影響，將湍流運(yùn)動(dòng)看作是時(shí)間上的平 均流淌而DNS考察

5、脈動(dòng)的影響，把湍流運(yùn)動(dòng)看作是時(shí)間平均流淌和瞬時(shí)脈動(dòng)流淌的疊加。 簡述標(biāo)準(zhǔn)K-模型的基本思想及相應(yīng)的掌握方程組，說明如何解決湍流應(yīng)力的計(jì)算問題？ 答：（1）基本思想：在關(guān)于湍動(dòng)能K的方程基礎(chǔ)上，再引入一個(gè)關(guān)于湍動(dòng)耗散率的方程, 形成K一兩方程模型。（2）掌握方程組：見課本P121的4.24和4.25公式。（3）如何計(jì)算問題：在標(biāo)準(zhǔn)K一模型中，對于Keynolds應(yīng)力各個(gè)重量，假定粘度系數(shù)Mt 是相同的，即假定Mt是各向同性的標(biāo)量。而在彎曲流線狀況下，湍流是各向異性的，Mt 應(yīng)當(dāng)是各項(xiàng)異性的張量。簡述什么是高Re數(shù)湍流模型。試對標(biāo)準(zhǔn)K- e模型、低Re數(shù)K一 模型、RNG K- 模型、 Reali

6、zable K一模型、Reynolds應(yīng)力方程模型、代數(shù)應(yīng)力方程模型等多種不同層次的湍流模 型，綜合處理近壁區(qū)湍流的數(shù)值方法。答：（1）高Re數(shù)湍流模型：流體試驗(yàn)說明，當(dāng)Reynolds數(shù)小于某一臨界值時(shí)，流淌是平滑 的相鄰的流體層被彼此有序地流淌，這種流淌稱作層流；當(dāng)Reynolds數(shù)大于臨界值時(shí)，會(huì) 消失一系列簡單的變化，最終導(dǎo)致，流淌特征的本質(zhì)變化，流淌呈現(xiàn)無序的混亂狀態(tài)，這時(shí)， 即使是邊界條件保持不變，流淌也是不穩(wěn)定的，速度等流淌特征都隨機(jī)變化，這種狀態(tài)稱為 湍流，相對于湍流問題的結(jié)局建立的方程即為高Re數(shù)湍流模型。（2）高Re數(shù)的湍流計(jì)算模型是針對湍流進(jìn)展特別充分的湍流流淌來建立的。

7、在近壁區(qū)內(nèi)的 流淌，湍流進(jìn)展并不充分，湍流的脈動(dòng)影響可能不如分子黏性的影響大，在更近面底層內(nèi)， 流淌可能處于層流狀態(tài)，故，對Re數(shù)較低的流淌使用上述建立的K模型計(jì)算，就會(huì)消 失問題。于是用壁面函數(shù)法或采納低Re數(shù)的模型。以低Re數(shù)K一模型為例：對高Re數(shù) K-模型進(jìn)行修改：掌握方程集中系數(shù)同時(shí)包括湍流集中系數(shù)與分子集中系數(shù)兩局部。 考慮不同流態(tài)影響。壁面四周湍動(dòng)能的耗散不是各向同性的。在此基礎(chǔ)上寫Re數(shù)K一 模型的運(yùn)輸方程。自己選擇或設(shè)計(jì)一個(gè)平面湍動(dòng)射流問題或其他類似的湍流問題，寫出用RNG K- e模型計(jì)算 該流程的掌握方程及其邊界條件，說明用數(shù)值方法求解掌握方程組的步驟。第五章什么叫邊界條

8、件？有何物理意義？它與初始條件有什么關(guān)系？答：（1）邊界條件是在求解區(qū)域的邊界上所求解的變量或其導(dǎo)數(shù)隨時(shí)間和地點(diǎn)的變化規(guī)律。 （2）對于任何問題，都需要給定邊界條件。（3）初始條件是所討論對象在過程開頭時(shí)刻各 個(gè)求解變量的空間分布狀況，對于瞬態(tài)問題，必需給定初始條件，穩(wěn)態(tài)問題，那么不用給定。 對于邊界條件與初始條件的處理，直接影響計(jì)算結(jié)果的精度。常用的邊界條件有哪些？請自己設(shè)計(jì)一個(gè)或幾個(gè)物理問題，將這些邊界條件全部用到。答：（1）常用的邊界條件包括：進(jìn)口邊界、出口便捷：速度進(jìn)口、壓力進(jìn)口、質(zhì)量進(jìn)口、 出流、壓力出口、壓力遠(yuǎn)場、進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口、進(jìn)氣扇、排氣扇。壁面、重復(fù)、軸類邊界： 壁面、對稱、

9、周期、軸。內(nèi)部單元區(qū)域：流體、固體。內(nèi)部外表邊界：風(fēng)扇、散熱器、 多孔介質(zhì)階躍、內(nèi)部界面。第八早網(wǎng)格在CFD計(jì)算中有怎樣的作用？對計(jì)算結(jié)果有什么樣的影響？答：（1）網(wǎng)格是CFD模型的幾何表達(dá)形式，也是模擬與分析的載體。（2）網(wǎng)格質(zhì)量對CFD 計(jì)算精度和計(jì)算效率有重要影響，對于簡單的CFD問題，網(wǎng)格生成極為耗時(shí)，且極易出錯(cuò)， 生成網(wǎng)格所需時(shí)間經(jīng)常大于實(shí)際CFD計(jì)算的時(shí)間。常用的網(wǎng)格類型有哪些？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？各在什么場合下使用？答：（1）網(wǎng)格類型有結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。（2）結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的網(wǎng)格中帶節(jié)點(diǎn)，排列有序，鄰 點(diǎn)的關(guān)系明確，對于簡單的幾何區(qū)域結(jié)構(gòu)網(wǎng)格是分塊構(gòu)造的；非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的網(wǎng)格中節(jié)點(diǎn)的位 置

10、無法用一個(gè)固定的法那么予以有序地命名，網(wǎng)格的生成過程比擬簡單，但卻有著極好的適應(yīng) 性，尤其對于具有簡單邊界條件的流場計(jì)算問題特殊有效。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格一般通過特地的程序 或軟件來生成。常用的二維及三維單元有哪些？與網(wǎng)各類型的對應(yīng)關(guān)系是什么？各處的特點(diǎn)是什么？答：在結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中，常用的2D網(wǎng)格單元是四邊形單元，3D網(wǎng)格單元是六面體單元。在非結(jié) 構(gòu)網(wǎng)格中，常用的2D網(wǎng)格單元還有三角形單元,3D網(wǎng)格單元還有四周體單元和五面體單元。 為何在劃分網(wǎng)格后，還要指定邊界類型和區(qū)域類型？常用的邊界類型和區(qū)域類型有哪些？各 用在什么條件下？答：（1）由于CFD求解器定義了多種不同的邊界，如壁面邊界、進(jìn)口邊界、對稱邊界等

11、， 因此在GAMBIT中需要先指定所使用的求解器名稱，然后指定網(wǎng)格模型中各邊界的類型，假 如模型中包含有多個(gè)區(qū)域，猶如時(shí)有流體區(qū)域和固體區(qū)域，或者是動(dòng)靜聯(lián)合計(jì)算中兩個(gè)流體 區(qū)域的運(yùn)動(dòng)不同，那么必需指定區(qū)域的類型和邊界，將各區(qū)域區(qū)分開來。（2）每一種求解器都供應(yīng)了多種類型的邊界，如FLUENT中供應(yīng)了 WALL（壁面）、OUTLET（出 口）、SYSMETRY （對稱面）等10多種邊界，一般狀況下各邊界的類型需要逐個(gè)指定，只有當(dāng) 多條邊界的類型和邊界值完全相同時(shí)才可以一起指定，否那么在FLUENT中沒法區(qū)分。很多 CFD求解器供應(yīng)了 Fluid （流體）和Solid （固體）兩種區(qū)域類型。假設(shè)網(wǎng)

12、格模型中包含有多個(gè) 區(qū)域時(shí)，需要分別為每個(gè)區(qū)域指定類型，假如模型中只有一個(gè)面或者一個(gè)體，可以不指定區(qū) 域。三維問題與二維問題的網(wǎng)格劃分有哪些地方是不一樣的？答：（1）二維問題對應(yīng)的是面網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分需要指定的是面，而三維問題對應(yīng)的是體網(wǎng)格， 網(wǎng)格劃分時(shí)需要指定的是體。（2）兩者的網(wǎng)格單元和網(wǎng)格類型不盡相同，在三維問題中常用 的網(wǎng)格單元包括Hex （六面體）、Hex/wedge（網(wǎng)格主要由六面體組成，個(gè)別位置允許有楔形 體）、Tex/Hybrid （網(wǎng)格主要由四周體組成，個(gè)別位置可以有六面體、錐形體或楔形體）；常 用的網(wǎng)格類型：Map （規(guī)章）、Submap （塊）、cooper （非結(jié)構(gòu)）、T

13、-Grid（混合）等。二維網(wǎng)格 單元由三種：Quad （只包括四邊形）、Tri （三角形）、Quad/Tri （主區(qū)域）；二維的網(wǎng)格類型 有:Map Submap Puve Tri-Primitive wedge Primitive 共 5 種。如何評價(jià)網(wǎng)格模型的質(zhì)量？答：EquiSize Skew （尺寸扭曲率）和EquiAngle Skew （角度扭曲率）是評判網(wǎng)格質(zhì)量最主要 標(biāo)準(zhǔn)，其值越小，網(wǎng)格質(zhì)量越高。一般來說，F(xiàn)luent要求扭曲率3D小于0.85, 2D小于0.75。 第七章FLUENT的主要功能包括哪些？答：主要功能包括：導(dǎo)入網(wǎng)格模型、供應(yīng)計(jì)算的物理模型、施加邊界條件和材料特性、

14、求解 和后處理。FLUENT供應(yīng)了哪些主要計(jì)算模型？各用在什么場合下？答：（1）多相流模型：VOF模型：流體噴射、流體中大泡運(yùn)動(dòng)、流體大壩壩口流淌、氣液 截面及穩(wěn)定和瞬態(tài)處理等;Mixture模型:模擬各相有不同速讀的多相流;Eolerian模型： 模擬多相分流及相互作用的相。（2）黏性模型：Inviscid模型：進(jìn)行無黏計(jì)算；Laminar模型：用層流的模型進(jìn)行流淌 模擬；Spalart-Allmaras（l eqn）模型：用于求解動(dòng)力渦黏輸運(yùn)方程的相對簡潔的一種； K-epsilon（2 eqn）模型：用K-雙方程模型進(jìn)行湍流計(jì)算；K-omege（2 eqn）模型：用K9雙 方程模型進(jìn)行湍

15、流計(jì)算；Reynolds Stress模型：使用Reynolds應(yīng)力模型（RSM）進(jìn)行湍流 計(jì)算；Large Eddy Simulation模型：三維問題，大渦模擬（LES）進(jìn)行湍流計(jì)算。（3）輻射模型：火焰輻射傳熱、外表輻射換熱、導(dǎo)熱、對流與輻射的耦合問題，采暖、通 風(fēng)、空調(diào)中通過窗口的輻射換熱及汽車車廂的傳熱分析、玻璃加工及玻璃纖維拉拔和陶器的 加工等。（4）組分模型：用于對化學(xué)組分的輸運(yùn)和燃燒等化學(xué)反響進(jìn)行模擬。（5）離散相模型：用Lagrangian公式計(jì)算離散相的運(yùn)動(dòng)軌跡，猜想連續(xù)相中由于湍流渦旋 作用而對顆粒造成的影響，離散相加熱或冷卻、液滴蒸發(fā)與沸騰、液體裂開與合并、模擬煤 粉燃

16、燒以及連續(xù)相與離散相相同的耦合等。（6）污染物模型：用以模擬NOX及煙灰形成過程。何時(shí)需要使用能量方程？答：對討論的流淌問題考慮熱交換、黏性生熱時(shí)需要使用能量方程。何為流體區(qū)域和固體區(qū)域？為何要使用區(qū)域的概念？ FLUENT怎樣使用區(qū)域？答：（1）流體區(qū)域時(shí)一個(gè)單元組，即一個(gè)區(qū)域，在設(shè)置流體區(qū)域時(shí)，允許設(shè)置熱、質(zhì)量、 動(dòng)量、湍動(dòng)能、組分以及其他標(biāo)量型變量的源項(xiàng)，有關(guān)數(shù)據(jù)通過Fluid對話框輸入；固體 區(qū)域也是一個(gè)單元組，用來進(jìn)行傳熱求解計(jì)算，不進(jìn)行任何流淌計(jì)算。固體區(qū)域僅需要輸入 Solid類型的材料名稱，允許設(shè)定熱的體積源項(xiàng)或指定溫度為定值，同時(shí)還可指定區(qū)域的運(yùn) 動(dòng)方式。（2） Fluent

17、中使用區(qū)域的概念，主要是為了區(qū)分分塊網(wǎng)格生成，邊界條件的定義等 等；在FLUENT中,材料包含哪些屬性？用在何處？如何使用FLUENT數(shù)據(jù)庫中已定義好的材料？ 答：（1）在FLUENT中常用的材料包括Fluid（流體）和Solid（固體）兩種。Fluid材料包含的屬性 有：密度或分子量、粘度、比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)、質(zhì)量集中系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)焰、分子運(yùn)動(dòng)論 參數(shù)。（2） Solid材料只有密度、比熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)屬性。（3）使用材料面板修改材料屬 性，在材料類型下拉菜單中選擇材料類型；在流體、固體或其它材料下拉菜單中選擇你 所需要修改屬性的材料；修改相關(guān)屬性；點(diǎn)擊轉(zhuǎn)變/創(chuàng)立按鈕將所選擇的材料屬性轉(zhuǎn)變

18、為新的屬性。常用的邊界條件包含哪些？周期性邊界條件和對稱性邊界條件如何使用？答：（1）常用的邊界條件包括：進(jìn)口邊界、出口邊界：速度進(jìn)口、壓力進(jìn)口、質(zhì)量進(jìn)口、 出流、壓力出口、壓力遠(yuǎn)場、進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口、進(jìn)氣扇、排氣扇。壁面、重復(fù)、軸類邊界： 壁面、對稱、周期、軸。內(nèi)部單元區(qū)域：流體、固體。內(nèi)部外表邊界：風(fēng)扇、散熱器、 多孔介質(zhì)階躍、內(nèi)部界面。（2）周期性邊界條件用于所計(jì)算的物理幾何模型和所期盼的流淌的解具有周期性重復(fù)的 狀況，通過Periodic對話框設(shè)置周期性邊界條件；對稱邊界條件用于物理形狀及所期望的 流淌的解具有鏡像對稱特征的狀況，也可用來描述黏性流淌中的零滑移壁面。分析各種空間離散格式對解的影響及其適用性答:集中方程的集中項(xiàng)一般采納中心差分格式離散,對流項(xiàng)可采納多種不同的格式進(jìn)行離散。 黏性項(xiàng)總是自動(dòng)地使用二階精度的離散格式。默認(rèn)狀況下，當(dāng)使用分別式求解器時(shí)，全部方 程中對流項(xiàng)均用一階迎風(fēng)格式離散；當(dāng)用耦合