控制体积法的分类与特性

2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：7.1.2 控制体积法的研究目的与方法1．研究目的研究流体流动问题时，如果使用积分控制体积法，其研究的目的主要是计算流体在研究区域表面或者控制体积内产生的质量变化率或者研究流体流动对研究区域造成的影响。

控制体积法根据求解流体流动问题时使用的计算方程形态可以分为积分控制体积法与微分控制体积法两种类型。这里对这两种类型的研究目的与方法做比较、归纳与说明。

7.1.1 控制体积法的分类与定义

1．积分控制体积法

所谓积分控制体积法（Integral control volume method）是因为求解流体流动时问题的计算方程由积分方程形态或者积分方程式转换后所得公式而得名。这种方法在研究时关注的重点是整个研究区域，也就是控制体积，所以研究范围是一个有限体积大小的区域，积分控制体积法又称为有限体积分析法（Finite volume analysis）。

2．微分控制体积法

微分控制体积法（Differential control volume method）因为求解流体流动问题时使用的计算方程为微分方程形式故得名。这种方法在研究时关注的重点是流体在流场内各个位置的压力、温度与密度与流速随着流体位置和运动时间的变化等情形，关注的范围是一个非常微小体积的区域，也就是研究流场内各点流体微团（Fluid micromass）的运动过程，微分控制体积法又称为无限小体积分析法（Infinitesimal volume analysis）。

7.1.2 控制体积法的研究目的与方法

1．研究目的

研究流体流动问题时，如果使用积分控制体积法，其研究的目的主要是计算流体在研究区域表面或者控制体积内产生的质量变化率或者研究流体流动对研究区域造成的影响。如果使用微分控制体积法，其研究的目的则主要是求解流体在流场内各个位置的流动性质与流体流速等随着流体位置与运动时间的变化，也就是研究流场内各点的流体微团运动过程。

2．研究方法

使用积分控制体积法求解流体流动问题时，主要用理论解析法（Theoretical analytic method）计算，也就是以人工方式去求解。而使用微分控制体积法，则是在求解的过程中，使用数值算法（Numerical algorithm）来运算。只有少数的问题可以通过人工计算的方式来求解，大多数的问题则必须使用计算机通过数值模拟或仿真软件来运算求解。

7.1.3 综合结论

积分控制体积法将流场或者流动问题关注的研究范围视为一个整体，使用的计算方程是积分方程式或者由积分方程转换后的公式，其研究目的是求出流动对整个研究区域造成的影响，例如，流体在工程管道中流动时对管道产生的作用力以及气体储存箱中质量变化。但是积分控制体积法得到的研究结果对研究区域内各点的细节有缺失，也就是无法得知研究区域中各点的压力、温度、密度与速度等物理量变化信息。而微分控制体积法求解流体流动问题时使用的计算方程为微分方程式，目的是研究流体在流场内各个位置的流动性质与流动物理量随着位置与时间的变化情形，也就是研究流场内各流体微团的运动过程。这种方法可以找出研究区域内各点变化细节，但无法得知流体流动对整体研究区域的影响。

控制体积法的分类与特性

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