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空气动力学方程:连续性方程在CFD中的数值解法
1空气动力学基础
1.1流体动力学概述
流体动力学是研究流体(液体和气体)在静止和运动状态下的行为及其与
固体边界相互作用的学科。在空气动力学中,我们特别关注气体的流动,尤其
是空气。流体动力学的基础方程是纳维-斯托克斯方程,它描述了流体的运动规
律。然而,对于大多数工程应用,我们首先需要理解的是连续性方程,它确保
了流体在流动过程中质量守恒。
1.2连续性方程的物理意义
连续性方程基于质量守恒原理,即在一个封闭系统中,流体的质量不会凭
空产生或消失,只能从一个地方转移到另一个地方。在流体动力学中,这意味
着通过任意控制体的流体质量流量必须保持恒定。如果流体是不可压缩的,连
续性方程简化为流体在任何点的速度矢量的散度为零。
1.2.1数学表达
对于不可压缩流体,连续性方程可以表示为:
∇⋅=0
∇⋅
其中,是流体的速度矢量,是散度算子。在笛卡尔坐标系中,该方程
可以展开为:
∂∂∂
++=0
∂∂∂
对于可压缩流体,连续性方程则涉及流体密度,表示为:
∂
+∇⋅=0
∂
1.2.2数值解法在CFD中的应用
计算流体动力学(CFD)使用数值方法来求解流体动力学方程,包括连续性
方程。在CFD中,流体被离散化为网格上的点或单元,连续性方程在每个网格
点上被数值化,形成一组离散方程。这些方程通常通过迭代方法求解,如
SIMPLE算法或压力修正方法。
1
SIMPLE算法示例
SIMPLE(Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations)算法是一种广
泛使用的压力-速度耦合算法,用于求解不可压缩流体的连续性方程和动量方程。
下面是一个使用Python和NumPy库实现的SIMPLE算法的简化版本示例:
importnumpyasnp
#定义网格参数
nx,ny=100,100
dx,dy=1.0/nx,1.0/ny
u=np.zeros((ny,nx))
v=np.zeros((ny,nx))
p=np.zeros((ny,nx))
p_star=np.zeros((ny,nx))
u_star=np.zeros((ny,nx))
v_star=np.zeros((ny,nx))
#定义迭代参数
max_iter=1000
tolerance=1e-6
#迭代求解
foriterinrange(max_iter):
#动量方程求解u_star和v_star
#这里省略动量方程的求解步骤,假设已经得到u_star和v_star
#连续性方程求解p_star
foriinrange(1,nx):
forjinrange(1,ny):
p_star[j,i]=p[j,i]+(dx*dy)/(u_star[j,i]+v_star[j,i])*(
u_star[j,i]-u_star[j,i-1]+v_star[j,i]-v_star[j-1,i]
)
#更新速度场
foriinrange(1,nx):
forjinrange(1,ny):
u[j,i]=u_star[j,i]-dx/(u_star[j,i]+v_star[j,i])*(p_star[j,i]-p_star[j,i-1
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