能量方程质量守恒、动量守恒、能量守恒分别为三大守恒定律。由这些守恒定律可以分别推导出连续性方程、动量方程以及能量方程。因此,在某些情况下,连续性方程可用于求解密度ρ,动量方程可用于求解动量ρU,能量方程可用于求解能量E或温度T。 能量守恒定义为绝热系统的总能量是一个常数,总能量不能凭空的产生和消失。能量的单位为: ![]() 在CFD中,通常用下述变量表示能量相关量:
上述变量单位均为: ![]() 其中比能为守恒变量。在无源项和沉降项的时候,比能其值不随时间变化。 1.1. 比能方程 比能由两方面构成,即机械能与比能之和。首先,定义机械能为K: ![]() 其中U为速度。单位质量的比内能定义为e。这样,比能E可表示为: ![]() 若考虑每单位质量比能的变化关系,则将到处拉格朗日框架下的能量守恒方程。在这里考虑欧拉框架。在欧拉框架下,每单位体积比能的时间变化率,即为每单位质量的比能变化率再乘以密度: ![]() 对于体积为dxdydz的流体微元,其比能的时间变化率为: ![]() 方程(4)构成欧拉框架下比能方程左边的部分。 接下来考虑能量方程右边的部分。正如之前所说的,流体微元能量的变化可能来自于:
首先考虑内部产生的能量。定义 ![]() 为比热源,其表示每单位时间、每单位质量的能量产生。那么流体微元的净比热源可表示为: ![]() 考虑流入流出的能量。热传导(热流具有方向性)对流体微元的加热为(热通量矢量定义为 ![]() ![]() 依据傅里叶定律,q和温度T的关系为: ![]() 接下来考虑做功引起的能量变化。单位时间内做功的变化为功率。作用在流体微元上的力,对其做功的功率等于这个力乘以速度在此力作用方向上的分量。因此压力的功率为: ![]() 剪切力对流体微团做功的功率为: ![]() 重力矢量g以体积力的方式作用于流体微元,引起重力势能的变化。单位时间内,重力做功的功率为: ![]() 结合方程(4)、(5)、(6)、(8)、(9)、(10)有最终的比能方程: ![]() 其展开形式为: ![]() 其中: ![]() 从方程(11)左边可以看出其采用的是非守恒形式,且目前尚未封闭。 1.2. 比内能方程 方程(11)为严格的能量守恒方程。但是在CFD中通常的做法是抽离机械能(动能项)来获得一个比内能方程。首先有动量方程: ![]() 将动量方程中的每个速度分量方程乘以速度分量并加和有: ![]() 即: ![]() 将方程(11)中减去方程(16)有比内能方程: ![]() 可以看出,比内能方程中不含有体积力项。其守恒形式为: ![]() 若考虑马赫数较小的情况,或认为不可压缩,则pU=0。同时,若进一步忽略粘性力做功项τ:U有: ![]() 1.3. 温度方程 由比内能方程也可以转化为温度方程。温度和比内能的关系为: ![]() 进一步, ![]() 可以表示为: ![]() 将方程(20)代入到(31),并假定恒定比热容有: ![]() 在马赫数较小的情况下,可以忽略压力做功项 ![]() 也即认为不可压缩, ![]() 同时忽略粘性力做功项且假定无热源有: ![]() 1.4. 焓方程 对于可压缩流体,通常把总能量方程简化为焓方程。首先有比焓h以及总比焓h0的定义: ![]() 回到非守恒形式的方程(11),调用连续性方程后有守恒形式的总能量方程: ![]() 把方程(24)代入到方程(26)中有守恒形式的比焓方程: ![]() 以及守恒形式的总比焓方程: ![]() 再一次的,总比焓方程尚未封闭。 1.5. 封闭 假设q=αeffe q=αeffh,这样方程(26)、方程(27)、方程(18)则简化为(无热源r=0): ![]() 其分别为比能方程、比焓方程以及比内能方程。其中的K通过方程(1)更新,且其中的速度项通过分离/耦合式算法求解,因此得以封闭。 比能方程、比焓方程以及比内能方程在求解的时候哪一个最优呢?目前从经验来看,传热、可压缩、化学反应求解器使用的主要为比能方程和比焓方程。并且,在低马赫数燃烧流中,(26)和方程(27)中的(τU)(粘性力做功)以及ρgU(重力做功)通常被忽略。一些文献表示,能量方程的选择在某些情况下是至关紧要的。比如在进行激波捕获计算的时候,求解总能量方程要比求解内能方程结果精确的多。因此在rhoCentralFoam中,则植入了粘性力做功,并且求解的为比能方程。 在不可压缩流动中,通常求解比内能方程。只要温度对流体的影响不是很重要,那么能量方程可以放在压力速度耦合之后进行求解。在这种情况下是一种单向耦合。同时,需要注意的是比内能方程实际上来源于动量方程。但是总能量方程以及焓方程却可以单独推导。在某些情况下求解比内能方程可能会带来一些问题。同时,对于不可压缩流体,能量的增加很少见,能量的耗散却比较明显。对于可压缩流,双方都比较重要。 Boussinesq假定下面考虑传热领域的Boussinesq假定,而不是湍流以及本构方程领域的Boussinesq近似/假定。 在传热领域内,Boussinesq假定认为在流动中温度的变化是非常小的,因此对应的密度变化也非常小。所以在控制方程中,除了浮力项ρg,其他项的密度被认为是常数。Boussinesq假定使得方程的非线性特性降低。但由于Boussinesq假定的限定条件,也使得调用Boussinesq假定的求解器存在一定的限制。 在工程中,Boussinesq假定主要用于室温下的液体对流、建筑物对流、气相分散等。在温度变化比较大的情况下,不建议使用Boussinesq假定。Boussinesq假定认为流体的密度可以这样计算: ![]() 其中ρ表示流体的密度,ρref表示流体的参考密度,T表示流体的温度,Tref表示流体的参考温度,β表示流体的体膨胀系数。现考虑可压缩流体并附加重力的动量方程: ![]() 依据Boussinesq假定,认为浮力项外的密度为常数,因此提出ρ有: ![]() 对于连续性方程,同样的,如果认为密度为常数,有连续性方程: ![]() 把连续性方程(35)带入到动量方程(34)中有: ![]() 将方程(32)代入到(36)中: ![]() 令: ![]() 有: ![]() 方程(39)即为考虑Boussinesq假定的动量方程。可以看出调用Boussinesq假定的动量方程为不可压缩的。在调用Boussinesq假定的情况下,如果温差较低的情况下(如空气的15°温差内),误差将在1%以下。如果温差过大,调用Boussinesq假定可能会带来较大的误差。 |
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