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Méthode des volumes finis (FVM)

1980
  • Suhas V. Patankar (popularized)
Espace de travail de la dynamique des fluides numérique présentant la simulation par la méthode des volumes finis pour l'ingénierie aérospatiale.

The Finite Volume Méthode (FVM) is a dominant numerical technique in CFD for solving différentielle partielle equations. It discretizes the domain into a mesh of control volumes and applies the governing equations in their integral form to each volume. By converting volume integrals to surface integrals using the divergence theorem, it focuses on calculating the flux of conserved properties across cell faces.

The Finite Volume Method’s strength lies in its approach to discretization, which is particularly well-suited for fluid dynamics problems governed by conservation laws. The process begins by dividing the geometric domain into a set of non-overlapping control volumes, or cells, which collectively form a mesh. The governing partial differential equations are then integrated over each of these control volumes.

A key step is the application of the Gauss-Divergence theorem, which transforms volume integrals of divergence terms into surface integrals of fluxes across the cell boundaries. For a generic conserved scalar [latex]\phi[/latex], the conservation equation in integral form is [latex]\frac{\partial}{\partial t} \int_V \phi dV + \oint_S \mathbf{F} \cdot d\mathbf{S} = \int_V Q dV[/latex], where [latex]\mathbf{F}[/latex] is the flux vector and [latex]Q[/latex] is a source term. The FVM discretizes this exact equation, approximating the surface and volume integrals. The flux across each face is calculated, often using interpolation schemes to find the value of [latex]\phi[/latex] at the cell face from the values stored at the cell centers.

This flux-based approach ensures that the quantity [latex]\phi[/latex] is conserved perfectly at the discrete level, both locally for each cell and globally for the entire domain. This property of exact conservation is a major advantage over methods like the Finite Difference Method and makes FVM robust and physically realistic, especially when dealing with shocks or sharp gradients in the flow. It is also flexible in handling unstructured meshes, which are necessary for modeling complex geometries.

UNESCO Nomenclature: 1208
- Analyse numérique

Taper

Logiciel/Algorithme

Perturbation

Substantiel

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • Calcul intégral et théorème de divergence de Gauss
  • Finite Difference Method (FDM)
  • Concept des lois de conservation en physique
  • Premiers travaux sur les solutions numériques aux EDP par Courant, Friedrichs et Lewy
  • Développement de techniques de maillage non structuré

Applications

  • ingénierie aérospatiale pour l'aérodynamique externe
  • conception automobile pour la réduction de la traînée et le refroidissement
  • conception et analyse du système CVC
  • processus chimique engineering for reactor modeling
  • ingénierie environnementale pour la dispersion des polluants dans l'air et l'eau
  • analyse du transfert de chaleur en électronique

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

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