一種基于流固界面一致條件的浸入邊界流場計算方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于流固界面一致條件的浸入邊界流場計算方法，屬于計算流體力學及其流固耦合模擬【技術領域】。本發(fā)明包括步驟：A、調(diào)用網(wǎng)格劃分模塊，采用兩套網(wǎng)格：流場區(qū)域，固體邊界區(qū)域；B、調(diào)用流場計算模塊，求得流場區(qū)域的預測值；C、調(diào)用固體邊界力密度計算模塊，獲取作用在固體邊界上的作用力密度；D、調(diào)用流場速度校正模塊，獲得流場區(qū)域的校正值，并更新流場速度；E、調(diào)用結(jié)果輸出模塊，將作用在固體邊界上的力以及流場信息輸出到文件，供后臺讀取顯示；F、判斷是否結(jié)束計算。本發(fā)明避免使用動網(wǎng)格技術，大量節(jié)省計算資源；克服傳統(tǒng)浸入邊界法近壁區(qū)速度求解時復雜的插值運算，不易計算固體邊界作用力密度的缺點。
【專利說明】一種基于流固界面一致條件的浸入邊界流場計算方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于流固界面一致條件的浸入邊界流場計算方法，屬于計算流體力學及其流固耦合模擬【技術領域】。
【背景技術】
[0002]流固耦合問題的難點之一是流體和固體使用不同的數(shù)學描述框架。通常，流體運動使用歐拉描述，而固體運動使用拉格朗日描述:傳統(tǒng)的浸入邊界法，固體邊界區(qū)域的速度大多采用線性(雙線性)插值獲得，往往插值過程異常復雜，得到的邊界層附近的速度分布誤差較大。為此，本發(fā)明提出基于流固界面一致條件的浸入邊界流場計算方法，避免了近壁區(qū)速度求解時復雜的插值過程，計算過程簡單，易于程序設計。
[0003]浸入邊界法提供了一種方式，使這兩種框架相互聯(lián)系在一起。而浸入邊界法將浸入流體的固體?；蒒avier-Stokes動量方程中的體力，這樣整個物理區(qū)域(流體區(qū)域和固體邊界區(qū)域)可以看成一個流場進行求解。浸入邊界法采用兩套網(wǎng)格，整個物理區(qū)域在歐拉描述下采用笛卡爾網(wǎng)格離散，固體邊界區(qū)域在拉格朗日描述下使用適體曲線網(wǎng)格離散。拉格朗日變量和歐拉變量的信息交換通過近似光滑函數(shù)實現(xiàn)。兩套網(wǎng)格互不關聯(lián)，流場求解不再使用動網(wǎng)格技術，從而避免了網(wǎng)格畸形以及離散網(wǎng)格幾何不守恒等問題，能夠有效地處理剛體與流體的相互作用問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種基于流固界面一致條件的浸入邊界流場計算方法，以用于克服傳統(tǒng)浸入邊界法在計算剛體與流體耦合作用上的不足。
[0005]本發(fā)明的技術方案是:一種基于流固界面一致條件的浸入邊界流場計算方法，所述方法的具體步驟如下:
A、調(diào)用網(wǎng)格劃分模塊，采用兩套網(wǎng)格:流場區(qū)域，固體邊界區(qū)域；其中流場區(qū)域在歐拉描述下采用笛卡爾網(wǎng)格離散，固體邊界區(qū)域在拉格朗日描述下使用適體曲線網(wǎng)格離散；
B、調(diào)用初、邊值設定模塊，對流場區(qū)域的邊界設定流場邊界條件，對流場區(qū)域原始變量設定初始值；
C、調(diào)用流場速度預測模塊，采用分步投影方法，求解不可壓縮粘性牛頓流體的流動控制方程，求得流場區(qū)域原始變量的預測值；
D、調(diào)用固體邊界力密度計算模塊，通過流固界面速度一致條件，獲得固體邊界離散的拉格朗日點上的作用力密度；
E、調(diào)用流場速度校正模塊，計算流場區(qū)域的速度校正值，并更新流場速度；
F、調(diào)用結(jié)果輸出模塊，將作用在固體邊界上的力以及流場信息輸出到文件，供后臺處理軟件讀取顯示；
G、判斷是否結(jié)束計算:
如果Λ t.η<Τ,則進入下一時間步，繼續(xù)執(zhí)行步驟C、D、E和F ;如果Λ t.η>八則結(jié)束整個計算；
其中Λ t為時間步長，為要求計算的總物理時間，/7為時間步數(shù)。
[0006]所述流場區(qū)域包括流體和固體所占據(jù)的空間區(qū)域。
[0007]所述步驟A中，流場區(qū)域在歐拉描述下采用笛卡爾網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格單元中心或節(jié)點上的流場變量稱為歐拉變量，并將單元坐標信息輸出到文件fcor.txt ;固體邊界區(qū)域在拉格朗日描述下使用適體曲線網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格節(jié)點上的變量稱為拉格朗日變量，相應網(wǎng)格節(jié)點坐標信息輸出到文件scor.txt ο
[0008]所述步驟B中，所述流場邊界條件主要包括(I)與固體接觸面的邊界速度都設為零，即無滑移無滲透壁面邊界條件；(2)已知流速作為計算域進口邊界條件；(3)出口采用自由出口邊界條件。
[0009]所述步驟B中，對流場區(qū)域原始變量設定初始值中的原始變量包括速度變量和壓力變量；
所述步驟C中，流場速度預測模塊通過求解壓力泊松方程，獲取流場區(qū)域的壓力，進而獲得流場區(qū)域的預測速度,并通過程序接口，提取笛卡爾網(wǎng)格單元中心上的預測
速度Ilf(XjJ),輸出到文件fvel.txt O
[0010]所述步驟D中，
為滿足流固界面無滑移無滲透的一致邊界條件，通過流場區(qū)域速度和
餌近似光滑函數(shù)得到的固體邊界拉格朗日點上的速度II(Xh)應該等于給定的固體邊界的自然速度r(X1:1),來實現(xiàn)固體邊界力密度的求解，其中s為固體邊界離散曲線網(wǎng)格點的初始構(gòu)型坐標，￡為時間，變量下標:和J分別表示固體邊界離散曲線網(wǎng)格第個節(jié)點和流場區(qū)域歐拉網(wǎng)格第個單元，固體邊界力密度可寫成矩陣F的形式，即求解代數(shù)方程組
AT = B(I)
式中
【權利要求】
1.一種基于流固界面一致條件的浸入邊界流場計算方法，其特征在于:所述方法的具體步驟如下: A、調(diào)用網(wǎng)格劃分模塊，采用兩套網(wǎng)格:流場區(qū)域，固體邊界區(qū)域；其中流場區(qū)域在歐拉描述下采用笛卡爾網(wǎng)格離散，固體邊界區(qū)域在拉格朗日描述下使用適體曲線網(wǎng)格離散； B、調(diào)用初、邊值設定模塊，對流場區(qū)域的邊界設定流場邊界條件，對流場區(qū)域原始變量設定初始值； C、調(diào)用流場速度預測模塊，采用分步投影方法，求解不可壓縮粘性牛頓流體的流動控制方程，求得流場區(qū)域原始變量的預測值； D、調(diào)用固體邊界力密度計算模塊，通過流固界面速度一致條件，獲得固體邊界離散的拉格朗日點上的作 用力密度； E、調(diào)用流場速度校正模塊，計算流場區(qū)域的速度校正值，并更新流場速度； F、調(diào)用結(jié)果輸出模塊，將作用在固體邊界上的力以及流場信息輸出到文件，供后臺處理軟件讀取顯示； G、判斷是否結(jié)束計算: 如果Λ t.η<Τ,則進入下一時間步，繼續(xù)執(zhí)行步驟C、D、E和F ; 如果Λ t.η ^八則結(jié)束整個計算； 其中Λ t為時間步長，為要求計算的總物理時間，/7為時間步數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于流固界面一致條件的浸入邊界流場計算方法，其特征在于:所述流場區(qū)域包括流體和固體所占據(jù)的空間區(qū)域。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于流固界面一致條件的浸入邊界流場計算方法，其特征在于:所述步驟A中，流場區(qū)域在歐拉描述下采用笛卡爾網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格單元中心或節(jié)點上的流場變量稱為歐拉變量，并將單元坐標信息輸出到文件fcor.txt ;固體邊界區(qū)域在拉格朗日描述下使用適體曲線網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格節(jié)點上的變量稱為拉格朗日變量，相應網(wǎng)格節(jié)點坐標信息輸出到文件scor.txt ο
4.根據(jù)權利要求1所述的基于流固界面一致條件的浸入邊界流場計算方法，其特征在于:所述步驟B中，所述流場邊界條件主要包括(I)與固體接觸面的邊界速度都設為零，即無滑移無滲透壁面邊界條件；(2)已知流速作為計算域進口邊界條件；(3)出口采用自由出口邊界條件。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于流固界面一致條件的浸入邊界流場計算方法，其特征在于:所述步驟B中，對流場區(qū)域原始變量設定初始值中的原始變量包括速度變量和壓力變量。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于流固界面一致條件的浸入邊界流場計算方法，其特征在于:所述步驟C中，流場速度預測模塊通過求解壓力泊松方程，獲取流場區(qū)域的壓力，進而獲得流場區(qū)域的預測速度
7.根據(jù)權利要求1所述的基于流固界面一致條件的浸入邊界流場計算方法，其特征在于:所述步驟D中，通過流場區(qū)域速度utxpf)和漢x-Xhr:!:!近似光滑函數(shù)得到的固體邊界拉格朗日點上的速度Umsi).應該等于給定的固體邊界的自然速度V(X^J),來實現(xiàn)固體邊界力密度的求解，其中s為固體邊界離散曲線網(wǎng)格點的初始構(gòu)型坐標，I為時間，變量下標i和J分別表示固體邊界離散曲線網(wǎng)格第i個節(jié)點和流場區(qū)域歐拉網(wǎng)格第J'個單元，固體邊界力密度可寫成矩陣F的形式，即求解代數(shù)方程組AF = B(I) 式中
8.根據(jù)權利要求1所述的一種基于流固界面一致條件的浸入邊界流場計算方法，其特征在于:所述步驟E中,流場區(qū)域速度校正值為: 如(氣<:|)=工0^(叉^=?)知汝(|=1=2=—故/ = 1=2=—;為(8) 流場區(qū)域速度可由下式更新 B (Xi=?) = π fCx1: ?) + Δη (X1: ?)(9) 式中U(XjJ)為第J個歐拉網(wǎng)格點上下一步的速度，可表示步驟C中的預測速度 和式(8)計算得到的校正速度An(Xpi)之和。
【文檔編號】G06F19/00GK103970989SQ201410148564
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月15日 優(yōu)先權日:2014年4月15日
【發(fā)明者】王文全, 閆妍 申請人:昆明理工大學