有限元素法與有限體積法

控制體積(control volume)

想像在一段河流周圍畫一個想像的盒子,只問一個問題:裡面有多少水,又隨著水從一端流入、另一端流出而如何變化?你不追蹤每個分子;你只盯著盒子的內容物與它的面。控制體積正是這樣一個記帳的盒子——有限體積法在其上施加守恆平衡的一塊固定區域。

實務上,區域被分割成許多小巧、互不重疊的控制體積(也稱為格),完整地鋪砌它,就像有限元素網格,但用法不同。方法為每個控制體積儲存一個數——該格上某量的「平均」——而非點上的值。守恆逐格施加:一個時間步內格平均的變化,等於格的各面上加總的淨通量。常見有兩種佈局。在「格心」格式中,未知數位於每個網格格的中心,而格「就是」控制體積。在「頂點心」(或節點心)格式中,未知數位於網格頂點,而控制體積是繞著每個頂點建立的對偶格(例如中位對偶或 Voronoi 區域)。無論哪種,關鍵物件都是兩個相鄰控制體積共用的「面」,因為那是交換通量之處。

控制體積正是讓有限體積守恆既局部又精確的關鍵。因為相鄰格「共用」一個面並使用穿過它的「同一個」數值通量,一格透過該面失去的,另一格就獲得——沒有重複計算、沒有洩漏。誠實之處:控制體積可以是任何形狀(方法能處理任意多邊形與多面體,這正是它在雜亂非結構網格上如魚得水的原因),但一個高度歪斜或與其面不正交的控制體積會讓通量重建較不精確,所以格的幾何仍然重要。又因為儲存的量是整格上的平均,比一格還小的細部根本不被表現——解析度由控制體積的大小決定。

在一維格網上,格 i 是寬度為 dx 的區間 [x_{i-1/2}, x_{i+1/2}],而儲存的未知數 u_i 是 u 在該區間上的平均。它的兩個面是 x_{i-1/2}(與格 i-1 共用)與 x_{i+1/2}(與格 i+1 共用)。x_{i+1/2} 處的通量計算一次,並由兩個相鄰格以相反的正負號使用。

每格一個平均;守恆透過共用面施加。

未知數是「格平均」,而非點值——所以比一個控制體積更細的特徵是看不見的,而「中心處的值」只是該平均的近似。高度歪斜的格也會降低通量精度,儘管守恆仍精確成立。

又称
finite volumecellcontrol cell控制容積