粘性通量及其离散方法
Viscous Flux
对于一般三维 NS 方程,粘性通量表示为
Fv=0nxτxx+nyτxy+nzτxznxτyx+nyτyy+nzτyznxτzx+nyτzy+nzτzznxΘx+nyΘy+nzΘz
式中
Θx=uτxx+vτxy+wτxz+k∂x∂TΘy=uτyx+vτyy+wτyz+k∂y∂TΘz=uτzx+vτzy+wτzz+k∂z∂T
对于组分方程
Fv(m)=−ρYmVj(m)
式中 Vj(m) 为扩散速度
Vj(m)=−YmDxjYm
Diffusion |
Transport Poperties |
Sign |
Law |
Momutum |
Dynamic Viscosity |
μ |
Stokes |
Heat |
Thermal Conductivity |
k |
Fourier |
Species |
Diffusion Coefficient |
D |
Fick |
Viscous Stress
粘性应力通过应力张量 τˉˉ,笛卡尔坐标系中一般形式为
τˉˉ=τxxτyxτzxτxyτyyτzyτxzτyzτzzτij⇒{i=j,i=j,normal stressshear stress
对于牛顿流体介质,粘性应力张量 (Stokes) 包含两部分
- 体积膨胀率
volumetric dilatation
, λdiv(v)
- 线膨胀率
linear dilatation
, μ(∂u/∂x)
τxx=λ(∂x∂u+∂y∂v+∂z∂w)+2μ∂x∂uτyy=λ(∂x∂u+∂y∂v+∂z∂w)+2μ∂y∂vτzz=λ(∂x∂u+∂y∂v+∂z∂w)+2μ∂z∂wτxy=τyx=μ(∂y∂u+∂x∂v)τxz=τzx=μ(∂z∂u+∂x∂w)τyz=τzy=μ(∂z∂v+∂y∂w)
式中 λ 为 second viscosity
, μ 为 dynamic viscosity
, 定义 kinematic viscosity
ν=μ/ρ
为封闭正应力表达式,Stokes 引入 bulk viscosity
假设
λ+32μ=0
上式表征了有限速率体积变化时均匀温度流体中的能量耗散特性,目前除了极端高温或高压情况,尚未有实验证据表明上述关系不成立,因此应力张量可表示为
τij=μ(2Sij−32δijSkk),Sij=21(∂xj∂ui+∂xi∂uj)
Heat Conduction
热导率可以通过普朗特数 Prandtl 计算
Pr=αν=k/ρcpμ/ρ=cpkμ
因此
k∂x∂T=Prμ∂x∂(cpT)=(γ−1)Prμ∂x∂c2
常温下空气 Prandtl 数 Pr=0.71
Discretization
有限差分法离散
∂ξ∂Fv=Δξ(Fv)I+1/2−(Fv)I−1/2
有限体积法
ΩI(FvS)I+1/2−(FvS)I−1/2=ΩI1(Fv(QI+1/2)SI+1/2−Fv(QI−1/2)SI−1/2)
粘性通量一般采用中心差分格式实现
- 粘性通量描述守恒量扩散过程,物理上各向同性
- 粘性会产生物理耗散,而迎风格式引入数值耗散,会污染边界层发展和湍流耗散
- 扩散方程为抛物型方程,特征速度无穷大,不存在特征方向
Gradient
计算变量梯度一般有两种方法
- 有限差分法 (Finite Difference)
- 格林公式 (Green’s Theorem)
Finite Difference
将笛卡尔坐标系 (x,y,z) 转换为曲线坐标系 (ξ,η,ζ), 然后在曲线坐标系上应用有限差分法
∂x∂U=∂ξ∂U∂x∂ξ+∂η∂U∂x∂η+∂ζ∂U∂x∂ζ
Green’s Theorem
基于控制体面构建辅助控制体 Ω′ 再应用格林公式求控制面处的流动变量 U 梯度
∂x∂U=Ω′1∫∂Ω′UdSx′=Ω′1m=1∑NFUmSx,m′
对于 Cell-Centered 网格,辅助控制体如图所示
1 2 3 4 5 6 7 8 9
| | | | | ----------- ----- ..... ..... ----- | I-1 | :I | :I+1 | | * | * o * | | | : |I+1/2: | ----------- ----- ..... ......----- | | | |
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对于 Cell-Vertex 网格,辅助控制体如图所示
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
| * --------- * --------- * --------- * | | | | | ........... | |I-1 :I :I+1 | * --------- * --- o --- * --------- * | : I+1/2 : | | ........... | | | | | * --------- * --------- * --------- *
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Reference
注意方程采用了两种表示法,后续需要进行统一,个人习惯采用张量表示法