交错网格在湍流模拟中的优势与应用

计算网格-湍流的模拟 计算网格是一种由Harlow和Welsh提出的方法，也被称为交错网格（Marker-And-Cell, MAC）网格。该技术将速度分量u、v、w和压力p以及其他标量场和物性参数存储在四个独立的网格系统中，每个速度分量的控制体积在它们各自的方向上相对于压力的控制体积有半个步长的错位。这种设计有两个关键优势： 1. 提高稳定性与精度：交错网格避免了直接计算导致的速度和压力场不合理，通过这种方式，可以增强求解结果的稳定性和数值精度。 2. 减少计算复杂性：在处理位于主控制容积节点的变量时，由于控制体积表面的流场变量无需额外插值，这减少了计算过程中的误差源，提高了整体计算效率。 湍流数值模拟是计算流体力学的重要领域，涉及到理解并解决具有随机性、扩散性、旋涡运动和耗散性的复杂流动。参考教材如《燃烧流体力学》、《湍流两相流动和燃烧的理论与数值模拟》以及《流动及燃烧的模型与计算》提供了深入的理论基础。 在模拟过程中，核心内容包括对湍流的定义及其特征的理解，如高度复杂的三维非稳态、旋转和随机性。湍流的定性描述包括固壁湍流和自由湍流、各向同性和异向湍流的区别。定量描述则涉及湍流尺度（时间尺度和长度尺度）、强度（如脉动强度和湍流能谱）以及涡旋结构，其中大尺度涡和小尺度涡的形成与能量传递是关键概念。 大尺度涡是由边界条件主导的低频脉动，而小尺度涡则是由粘性力产生的高频脉动。湍流运动的动态平衡体现在大涡破裂形成小涡，然后通过能量转换最终被粘性耗散为热能。尽管存在这些复杂性，非稳态的N-S方程（Navier-Stokes方程）依然适用于描述湍流运动。 Kolmogorov长度尺度的概念表明，大尺度气流中存在着许多微小涡旋，它们共同构成了流场的复杂动力学。这些涡旋结构的研究对于理解和预测湍流行为至关重要。 考试时间安排在11月10日14:00-16:00，主要内容涵盖湍流的基本理论、直接数值模拟方法以及在流体动力学软件Fluent中的实际应用。考生需掌握这些基本原理和工具，以便在考试中解答相关问题。