为什么 FVM 传统上用于 CFD,而 FEM 用于计算结构?

计算科学 有限元 流体动力学 有限体积 固体力学
2021-11-28 18:34:11

大多数 CFD 代码使用 FVM。大多数计算结构代码使用 FEM。为什么CFD中不常用FEM,FEM中为什么不常用FVM?

3个回答

有限元法实际上在流体流动问题中得到了广泛的应用,例如斯托克斯和纳维-斯托克斯方程。

方法之间的描述更多地沿着以下路线:

  • 有限元法非常适合二阶(空间)微分方程。这与在这种情况下可以选择相同的试验和测试空间这一事实有关,因此 FEM 是一种非常适合解决诸如弹性和更一般的结构等问题的工具,也适用于 Stokes 方程或流体中的 Navier-Stokes 方程。

  • 许多其他流体流动问题由一阶微分方程(例如,考虑气体动力学的欧拉方程)或一阶项占主导地位的方程(例如,跨音速状态下的可压缩 Navier-Stokes 方程)描述. 对于这些情况,解决方案通常是不连续的 - 例如以冲击的形式 - 并且 Galerkin 方法(FEM 所基于)产生在实践中没有用的振荡近似。人们可以通过过去二十年左右开发的稳定技术来解决这个问题,但至少从历史上看,首选的方法是基于方程基础的守恒特性的方法——即使用有限体积方法。

最根本的原因是(静态)结构问题通常会解决自己寻找最小能量配置,这很容易转化为最小化有限元表示的能量。由于对流项,这几乎不会发生在流体流动中,即使是稳定的。到目前为止,有许多流体流动的 FE 代码(例如不连续 Galerkin 方法)有他们的爱好者,但对于大多数工程目的来说,它们被认为过于昂贵。

FVM最明显的优点是在离散化过程中自动满足守恒定律(两个相邻单元的界面之间的通量被抵消),不需要其他特殊的数学处理。这一性质对于流体流动问题满足质量连续性方程非常重要。