cfd數(shù)值模擬的系統(tǒng)誤差反饋及其實(shí)現(xiàn)(doc11)-經(jīng)營(yíng)管理-資料下載頁(yè)
2025-08-07 15:53本頁(yè)面
【導(dǎo)讀】氣流動(dòng)模擬等，可謂是應(yīng)用得無孔不入[3]。阻礙CFD技術(shù)進(jìn)步的絆腳石[3][4]。為了具體地說明這一問題，現(xiàn)在不妨先考察一下用。由S1到S5即完成了通常意義上的數(shù)值模擬計(jì)算過程。成，其一為計(jì)算過程的舍入誤差，即用計(jì)算機(jī)做數(shù)值計(jì)算時(shí)，由于計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)有限，機(jī)本身的性能及編程語(yǔ)言的簡(jiǎn)潔和靈活程度，誤差縮小空間并不大。第二步反饋，基本上與第一步反饋類似，基本上不計(jì)入誤差。這一過程歷來是計(jì)算數(shù)學(xué)、CFD等領(lǐng)域的熱門話題。也就天然地產(chǎn)生了[4]。此外壓力速度解耦思想SIMPLE. 因素，更為嚴(yán)重的是還可能導(dǎo)致整個(gè)求解過程的失敗。散格式等都是該過程中誤差產(chǎn)生的源泉。從CFD領(lǐng)域的三種模擬方法，DNS、LES及RANS(時(shí)。可靠，其計(jì)算結(jié)果可以作為考核其他模擬辦法、建立標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)庫(kù)的依據(jù)，些初步的驗(yàn)證和考核的指標(biāo)體系。十條規(guī)定的出臺(tái)，盡管還存在不少爭(zhēng)議，但說明在流體機(jī)械、工程熱物理等領(lǐng)域，這對(duì)于HVAC領(lǐng)域通風(fēng)氣流組織數(shù)值模擬反饋研究具有一定的啟發(fā)作用，遺憾
【正文】 面函數(shù)法，大量的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)已經(jīng)使人們懷疑它的生命力。 c 輻射模型及計(jì)算方法亟待改進(jìn)。從散見的國(guó)際傳熱及流體雜志，可以發(fā)現(xiàn)近些年來，科研及工程技術(shù)人員對(duì)輻射現(xiàn)象及其計(jì)算愈加重視，但是考慮復(fù)雜幾何形體的 第 9 頁(yè) 共 10 頁(yè) 此資料來自 空間輻射計(jì)算，卻很少見，尤其是考慮室外太陽(yáng)輻射得熱的流體流動(dòng)及傳熱計(jì)算。國(guó)際領(lǐng)域盛行的 MontleCarlo 法或 DOM 法不僅限于解決小型空間的輻射，并且計(jì)算的收斂性能也待改進(jìn)。 數(shù)值模擬的基本思想 鑒于 HVAC 領(lǐng)域通風(fēng)氣流組織的實(shí)際情況，一般采用 RANS 方法 (以標(biāo) 準(zhǔn) kε 雙方程模型為代表 )建模、 FVM(有限容積法 )離散 (對(duì)流項(xiàng)采用 QUICK 等格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用具有二階精度的中心差分格式 )、 TDMA+SOR 法求解離散代數(shù)方程、 SIMPLE 類壓力速度預(yù)估校正思想耦合等組合過程對(duì)所選實(shí)際的通風(fēng)氣流組織進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。故主要的分析和研究對(duì)象是：湍流模型誤差、對(duì)流項(xiàng)離散格式誤差 (雷諾數(shù)偏高時(shí) )、代數(shù)方程迭代求解誤差、 SIMPLE 類方法預(yù)估校正的收斂性、邊界條件及初始條件的實(shí)施、網(wǎng)格分辨率 (網(wǎng)格雷諾數(shù)的影響 )、時(shí)間截差 (非穩(wěn)態(tài)問題 )等幾個(gè)方面，除湍流模型誤差、初邊界條件誤差、物性 參數(shù)誤差等屬考核階段外，其他皆歸于驗(yàn)證階段的分析和探討。 4 CFD 數(shù)值模擬系統(tǒng)誤差反饋思路 系統(tǒng)誤差反饋之一：驗(yàn)證 從普通雷諾時(shí)均控制方程組可以發(fā)現(xiàn)，湍流流動(dòng)的動(dòng)量輸運(yùn)方程與層流流動(dòng)的動(dòng)量輸運(yùn)方程除了湍流擴(kuò)散粘性系數(shù)與源項(xiàng)有差別外，其他并無差異。在假設(shè)湍流擴(kuò)散粘性系數(shù)已知的情況下，完全可以采用層流的驗(yàn)證方法進(jìn)行，即可以獲得相同的誤差動(dòng)量輸運(yùn)方程及質(zhì)量方程。即： ErrorMomentum, Turbulent=ErrorMomentum, Laminar+ErrorSource ErrorMomentum, Laminar=ErrorConvecion term+ErrorDiffusion term+ErrorGrid+ErrorSIMPLE Iteration 采用前述的單網(wǎng)格后向誤差估計(jì)方法或更加高效可行的方法，對(duì)采用 FVM 離散了的層流控制方程，得出其誤差控制方程組 (包括對(duì)流項(xiàng)離散格式的截?cái)嗾`差分析 )，再根據(jù)網(wǎng)格分布、動(dòng)量邊界等已知的信息獲得 ErrorMomentum, Laminar。顯然，收斂的計(jì)算結(jié)果所獲得的湍流擴(kuò)散粘性系數(shù)是沒有任何問題；但若是在耦合湍流動(dòng)能及湍流動(dòng)能耗散率方 程計(jì)算過程中，并未獲得收斂解，則談?wù)撈浞答伒囊饬x也就消失了。這樣，問題就簡(jiǎn)化成了湍流粘性系數(shù)對(duì)湍流流動(dòng)的動(dòng)量輸運(yùn)誤差方程的影響了。一種思路：將此誤差因素計(jì)入下面的考核之中，及湍流模型誤差之中。一種思路：在作更多的迭代計(jì)算，考慮迭代誤差的影響因素，但同時(shí)需保證獲得收斂解或迭代不完全的解。 系統(tǒng)誤差反饋之二：考核 復(fù)雜湍流流動(dòng)的驗(yàn)證是很困難的，從 節(jié)可以發(fā)現(xiàn)，因?yàn)橥牧髡承韵禂?shù)的原因，仍需湍流模型進(jìn)行較核，即湍流模型的考核是必然的；另外，模型本身的不完善，也促使了這項(xiàng)內(nèi)容的誕生。據(jù)流體流動(dòng)的實(shí)際特 征，以下三步是比需的考核項(xiàng)目： Step1 經(jīng)典數(shù)值計(jì)算或?qū)嶒?yàn)?zāi)Ｐ停喉斏w驅(qū)動(dòng)流、封閉空腔、臺(tái)階流等 第 10 頁(yè) 共 10 頁(yè) 此資料來自 考核源程序和計(jì)算思想的正確性。 Step2 二維或三維混合對(duì)流數(shù)值實(shí)驗(yàn)， ReCase=ReReal， RaCase=RaReal， PrCase=PrReal 考核該數(shù)值模型的計(jì)算穩(wěn)定性，以及對(duì)于高大空間或復(fù)雜流動(dòng)的適應(yīng)性 (建議采用三套單網(wǎng)格系統(tǒng)或多重網(wǎng)格系統(tǒng)，逐步加密，以考核網(wǎng)格分布特性及固壁邊界的流態(tài)轉(zhuǎn)化 )；保證網(wǎng)格雷諾數(shù)的相近，以實(shí)現(xiàn)小空間流場(chǎng)計(jì)算往大空間流場(chǎng)計(jì)算的可持續(xù)性。 Step3 標(biāo)準(zhǔn)建筑環(huán)境氣流室 (建議參照文獻(xiàn) [24]提出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄格式提供 ) 考核該數(shù)值模型在建筑環(huán)境流體計(jì)算領(lǐng)域的可行性，由此推廣至建筑環(huán)境的其他應(yīng)用。 CFD 計(jì)算反饋文件 (Documentation) 將模型建立、計(jì)算對(duì)象、初邊界條件、驗(yàn)證過程及結(jié)果、考核內(nèi)容及分析結(jié)論整理成文 (暫未考慮輻射 )： F1 RANS 方法建模，采用的湍流模型 (零方程、一方程、兩方程等 )； F2 計(jì)算對(duì)象為高大空間、室內(nèi)置換通風(fēng)、室外流場(chǎng)分布或煙氣流動(dòng)等； F3 設(shè)置邊界條件，實(shí)驗(yàn)測(cè)得參數(shù)應(yīng)注明儀器的精度，尤 其對(duì)湍流模型的壁面邊界條件、熱流或物料流邊界需要加以仔細(xì)說明； F4 驗(yàn)證過程采用的驗(yàn)證方法、誤差方程、湍流粘性系數(shù)的計(jì)算等需要詳盡說明，驗(yàn)證得到的誤差及不確定度分析需要詳細(xì)說明； F5 考核過程所采用的經(jīng)典數(shù)值計(jì)算或?qū)嶒?yàn)?zāi)Ｐ图坝?jì)算比較結(jié)果、三套網(wǎng)格系統(tǒng)下二維或三維混合對(duì)流數(shù)值實(shí)驗(yàn)及比較結(jié)果、標(biāo)準(zhǔn)建筑環(huán)境氣流室的模擬及比較結(jié)果。 需要說明的是，若 F4 所得結(jié)果不能令人滿意 (置信度取 95％，不確定度為 5%)，進(jìn)行第 F5 步是毫無意義的，也是徒勞的。由此可見，對(duì)離散方程的離散誤差、尤其是對(duì)流項(xiàng)的截?cái)嗾`差分析 顯得極為重要，它關(guān)系到 CFD 數(shù)值模擬及其反饋計(jì)算的全局。 需要補(bǔ)充的是，對(duì)于輻射的攝入，可以有兩種辦法，一是采用獨(dú)立網(wǎng)格系統(tǒng)對(duì)輻射單獨(dú)計(jì)算，然后耦合計(jì)算結(jié)果，需單獨(dú)列出輻射能的誤差分析方程；二是對(duì)同一套網(wǎng)格系統(tǒng)，將輻射能耦合入能量方程，不需單獨(dú)列出輻射能的誤差分析方程，但邊界上要注意區(qū)分一般熱流與凈輻射得熱。
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