計算不可壓縮流體 差分 有限體積離散格式

2021-06-21 01:38:37 字數 2433 閱讀 1435

不可壓縮ns方程求解選用速度,壓力為自變數。兩者通過守恆方程耦合。 

1 自然格式:  速度分量, 壓力均在網格節點。 邊界條件直接作用在節點上,完美自然邊界(dirichilet b. c), 問題是滿足速度無散度,將在計算中引入非物理的速度。

2 交錯格式(staggered grid): 速度分量在單元邊界中點, 壓力值在單元中心;無滑移條件不能精確滿足。如果將因變數通量(質量,動量)移動到邊界中點,又導致因變數通量不精確滿足。

3 區域性交錯格式: 速度分量在網格節點,壓力值在單元中心; 滿足無滑移條件,通量在單元邊界守恆。壓力dirichilet邊界不精確滿足,計算複雜,舉例: ale

4  co-locate格式: 速度分量,壓力都存在單元中心;速度,壓力邊界均不精確滿足,但是實現容易,商用軟體用的多;

5  multi-momentum交錯格式: 速度分量在單元兩方向都計算,壓力值位於單元中心。每個速度分量在每個單元邊界面上都計算,所以精確滿足無滑移/通量守恆,單色計算量較(2)大一倍。

一  自然差分格式舉例  (2d ns, no body force)

u/t +  u du/dx + v du/dy = - grad_p_x + miu * laplace(u)

時間差分: backward euler ;  空間差分: 中心差分

-- >  非緊緻5對角矩陣  a u^(n+1) + b u^n = f^n 

壓力波松方程(ppe)   laplace(p) = -2 ( du/dy * dv/dx - du/dx * dv/dy)

考慮齊次newman邊界 及邊界不可穿透條件,上式可解。

關於壓力邊界:  newman問題,不具有唯一解。一般採用給任意初始壓力邊界,即ppe實際上求解了 dirichilet - newman 混合問題,至於這個初始任意壓力,對後續計算是沒啥影響的。

自然差分格式演算法缺點:

1   沒***速度無散度條件,ppe簡化中使用了 div_v = 0 , 但 動量方程本身沒有求解 div_v = 0. 對於初值滿足  div_v = 0 在較短的計算時間內可以滿足  div_v =0,但是長時間還算沒保證啊。

2   齊次壓力邊界只有在  miu -> 0 才滿足

3  中心差分格式誘發速度,壓力值的棋盤分布,滿足div_v = 0 的偽速度。

4  div-stability 條件  ??

差分cfd基本不用自然格式。

二  交錯網格格式(fv)

使用交錯網格,2d速度分量和壓力共採用三套單元計算,分別即作u單元,v單元 和壓力單元。 u,v 單元中心定義單元平均速度, 邊線中點定義壓力。物理意義上,壓力作為一類面力,理應定義在面上。

考慮x分量    

lhs 時間導數項  =  d ( u_(i, j-1/2) * hx * hy ) /dt   % u_(i, j - 1/2) 即單元平均速度

lhs 對流項 = ( u^2_(i+1/2, j-1/2) - u^2_(i-1/2, j-1/2) ) * hy + ( v_(i,j)*u_(i,j) -  v_(i,j-1) * u(i, j-1)  ) * hx  

其中 u_(i+1/2, j-1/2) = ( u_(i, j-1/2) + u_(i+1, j-1/2) ) / 2 ,  注意 u_(i, j-1/2)即單前單元平均速度, 同理  u_(i-1/2, j-1/2)

u_(i, j) = ( u(i, j-1/2) + u(i, j+ 1/2)) / 2 %使用y方向平均,  v_(i, j) = ( v(i - 1/2, j) + v( i+1/2, j) ) / 2  % 使用x方向平均

壓力梯度項   =  ( p(i + 1/2, j-1/2) - p(i-1/2, j-1/2) * hy  %單元邊界

擴散項  =   miu * ( ux_(i+1/2, j - 1/2) - ux_(i - 1/2, j - 1/2)) * hy + ( vy_(i, j) - vy_(i, j-1)) * hx ) 

同理y分量. 整理各項,得到半隱式交錯格式有限體積法的ns離散方程。

上述各項, 只有對流項使用了平均(線性插值), 截斷誤差分析表明, 該格式整體精度為網格間距的偶數次冪,採用richardson 外插可進一步提高精度。

另外,交錯格式使用了大量半點的值,實際cfd後處理一般都只計算網格點的值,所以還需要回插網格點值,形成後處理資料。

最後,u, v速度邊界處理, 對於u邊界速度 u(i, 1) = 2 u_0 -  u(i, 2);  v邊界速度 v(1, j) = v_0

最最後, 交錯網格下的ppe求解,同自然格式,注意dirichilet邊界。

三  co-locate 差分格式

所有因變數都在單元中心計算。 諸如, rhie & chow演算法, zang演算法。後續投影法,******演算法詳細之。

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