有限体积法(Finite Volume Method),简称为FVM。常用于计算流体力学,例如著名的Fluent、Star-CD等商用CFD软件,都是采用这种算法,见参考文献 [7] 。
有限体积法的基本思路,是将计算区域离散成为有限个不重复的控制体积,使每个网格节点周围有一个控制体积,假定解在网格点之间存在一定的变化规律,然后把待求解的偏微分方程对每个控制体积进行积分,从而得到一组离散的方程组。
从积分区域的选取方法来看,有限体积法属于加权残值法中的子区域法;从解的近似方法来看,有限体积法属于采用局部近似的离散方法。
有限体积法的基本思路易于理解,并能得到直接的物理解释。其物理意义就在于,因变量在一个有限大小的控制体积中守恒,这一点就如同前面数理方程推导过程中提到的在无限小的体积微元中的守恒原理一样。
就离散方法而言,有限体积法可以看成是有限差分法和有限元方法的中间产物。有限差分方法只考虑网格节点上的值,而不考虑节点之间的变化;有限元方法除了节点上的值,还必须假定节点之间的变化规律;有限体积法虽然只关注节点上的值,但是在进行控制体积上的积分时,需要假定节点之间的变化规律。换言之,有限体积法中,插值函数只用来计算积分,得到离散方程后就可以忘掉。
有限体积法适合于计算流体力学,可以应用于不规则的网格,适于进行并行计算。缺点在于,有限体积法是基于积分方程的思路推导出来的,因此一般情况下,受到积分的精度限制,有限体积法的总体精度最高只能达到二阶;此外,在不规则区域的适应性也较差。