第一章燃烧过程数值模拟的研究内容和方法.ppt

燃烧过程的数值模拟
§1 燃烧过程数值模拟的研究内容和方法
一、计算流体力学(CFD)/计算传热学(NHT)/计算燃烧学发展简史
长期以来,人们认识燃烧过程的主要途径是实验研究,燃烧学基本上是一门实验科学。
燃烧过程的数值模拟是近四十年来,随着计算机技术的发展,在燃烧理论、流体力学,化学动力学、传热学、数值计算方法及实验技术的基础上发展起来的。
燃烧过程数值模拟的发展阶段可分为:创始期(1965 – 1974) ;走向应用期(1975 – 1984) ;蓬勃发展期(1985 )。
燃烧过程数值模拟的发展阶段
(1965 – 1974)
交错网络的提出:1965年由美国科学家Harlow/Welch提出,解决了速度与压力存放在同一网格上出现的不合理压力场问题。
对流项差分迎风格式的确认:对流项若采用中心差分格式,当流速较高时计算会出现振荡。
第一本介绍CFD/NHT的杂志“J put. Phy. ”创刊(1966)
Patankar与Spalding发表了求解抛物型流动的P-S方法(1967):在P-S方法中,把x-y平面上的计算区域(边界层)转换到x-w平面上(w为无量纲流函数),从而不论在边界层的超始段还是在其后的发展段,所设置的计算节点均可落在边界层范围内。
SIMPLE算法问世(1972):
求解不可压流动时,如果对包含速度与压力的代数方程直接求解,则可同时得到速度场与压力场分离式的求解方法的基本思想是在流场迭代的求解的任何层次上,速度场必须满足质量守恒方程,从而保证流场迭代计算的收敛。
美国学者Thompson等人提出采用微分方程生成适体坐标的方法(TTM方法):
为有限差分法与有限容积法处理不规则边界问题提供了一条新路:通过交换把物理平面上的不规则区域(二维问题)变换到计算平面上的规则区域,从而在计算平面上完成计算,再将结果传递到物理平面上。
(1975 – 1984)
由Spalding开发的二维边界层问题数值求解程序 GENMIX公开发行(1977),其结构与设计思想对后续软件开发具有积极影响
由美国Illinois大学Minkowycz教授任主编的国际杂志“Numerical heat transfer”创刊
由Spalding等人开发的流动与传热的大型通用软件PHOENICS (Parabolic, Hyperbolic or Elliptic Numerical Integration Code Series) 第一版问世,并在其研究组内部使用,解决部分工业应用问题。
Leonard发表了著名的QUICK格式(1979),这是一个具有三阶精度的对流项离散格式,其稳定性优于中心差分,在CFD/NHT中得到广泛应用。
PHOENICS正式投放市场(1981)
Rhie与Chou提出同位网格方法(1982):吸取了交错网格成功的经验,又把所有变量的求解置于同一网格上。目前在非正交曲线坐标系中应用广泛。
80年代初,一批改革开放之初出国进修的访问学者相继学成回国,并在国内开展了CFD/NHT的教学与科研工作。
3. 蓬勃发展期(1985 )
前后处理软件迅速发展:
前处理网格生成技术;
后处理计算结果的绘图或可视化,如GRAPHER, GRAPH TOOL, IDEAS, PATRAN, ICEM-CFD等。
计算机的发展促进了并行算法及湍流直接模拟(DNS)与大涡模拟(LES)的发展
PC机成为CFD/NHT研究中的一个重要工具
PC机价格低廉,换代容易;
编译软件突破了初期DOS对内存640K的限制;
不少大型商用软件(如PHEONICS,FLUENT等)都开发了PC机版本。
一批有关CFD/NHT的新教材与参考书及期刊出版或创刊:

国外如:
Anderson D A et al., Computational fluid mechanics and heat transfer, Washington: Hemisphere. 2nd ed. 1997
Minkowycz W J, Sparrow E M eds. Advances in numerical heat transfer. New York: Taylor & Francis, , 1997

国内如:
岑可法,樊建人,工程气固多相流动的理论及计算,杭州:浙江大学出版社,1990
范维澄,万跃鹏,流动及燃烧的模型与计算,合肥:中国科学技术大学出版社,1992
周力行,湍流气固两相流动和燃烧的理论与数值模拟,陈文芳,林文漪译,北京:科学出版社,1994
多个大型商业通用软件投放市场,