耦合边处理的特征无反射边界条件设定方法与系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种耦合边处理的特征无反射边界条件设定方法与系统，定义在计算区域网格节点区域，生成网格节点区域各耦合边的特征波形式的控制方程，生成耦合边上可压缩流体的压力和速度时间导数的方程，代入可压缩流体的密度和耦合边的特征波参数，生成耦合边求解变量时间推进方程，根据耦合边求解变量时间推进方程，确定可压缩流体中耦合边边界条件。整个方法经过严格数学逻辑计算，避免直接采用Euler方程边界条件给定的方法直接应用到Navier-Stokes方程，整个设定过程稳定、准确，且能够很好处理可压缩流体中声波反射的问题，确保耦合边处理的特征无反射边界条件设定结果的精准。
【专利说明】耦合边处理的特征无反射边界条件设定方法与系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及可压缩流体的边界条件设定【技术领域】，特别是涉及耦合边处理的特征无反射边界条件设定方法与系统。
【背景技术】
[0002]正确的处理可压缩流动的边界条件是得到数值模拟结果非常关键的一步。因为在直接数值模拟中，不可能模拟一个无限大的计算区域，由于计算资源的限制，会人为的将直接数值模拟的计算区域限制在一个非常有限的区域内，这样就必须在有限的计算区域内给定特定的边界条件。
[0003]三维可压缩Navier-Stokes (纳维叶一斯托克斯)方程边界条件处理困难的关键原因是完整的特征无反射边界条件数学理论的缺乏。许多学者通过理论研究发现，完全可靠并且适定的边界条件只对Euler (欧拉)方程适用，但是对于Navier-Stokes会变得非常复杂。有学者认为对于Navier-Stokes方程，给定特定的边界条件从而得到比较好的模拟结果，也只适用于那些非常简单的模拟情况。对于Navier-Stokes方程的特征边界条件的给定，目前学术界还存在很大的争议。主要的问题是Navier-Stokes不是双曲型方程，因此不能简单利用Euler方程边界条件给定的方法直接应用到Navier-Stokes方程。
[0004]若直接采用Euler方程边界条件给定的方法直接应用到Navier-Stokes方程,得到的耦合边处理的特征无反射边界条件设定结果必然存在比较大的误差。
【发明内容】
[0005]基于此，有必要针对一般耦合边处理的特征无反射边界条件设定方法存在比较大的误差的问题，提供一种准确的耦合边处理的特征无反射边界条件设定方法与系统。
[0006]一种耦合边处理的特征无反射边界条件设定方法，包括步骤:
[0007]定义计算区域中网格节点区域为(I, Xmax)* (I, Ymax)* (I, Zmax ),其中Xmax、Ymax和Zmax分别是所述预设计算区域三维空间坐标轴X、Y和Z方向最大的网格点数；
[0008]生成计算区域中网格节点区域X、Y和Z三个方向传播的特征波形式方程，并分别计算X方向和Y方向、X方向和Z方向以及Y方向和Z方向的控制方程分量部分，整理成特征波形式的控制方程。
[0009]利用所述整理成特征波形式的控制方程，通过数学运算，转换生成在所述网格节点区域各耦合边上可压缩流体的压力和速度时间导数的方程；
[0010]获取所述可压缩流体的密度数据以及所述网格节点区域各耦合边的特征波参数；
[0011]根据所述所述可压缩流体的密度数据、所述网格节点区域各耦合边的特征波参数以及在所述网格节点区域各耦合边上可压缩流体的压力和速度时间导数的方程，获得耦合边求解变量时间推进方程；
[0012]根据所述耦合边求解变量时间推进方程，确定可压缩流体中耦合边边界条件。[0013]一种耦合边处理的特征无反射边界条件设定系统，包括:
[0014]定义模块,用于定义计算区域中网格节点区域为(I,Xmax)* (I,Ymax)* (I,Zmax),其中Xmax、Ymax和Zmax分别是所述预设计算区域三维空间坐标轴X、Y和Z方向最大的网格点数；
[0015]特征波形式的方程生成模块，用于生成计算区域中网格节点区域X、Y和Z三个方向传播的特征波形式方程，并分别计算X方向和Y方向、X方向和Z方向以及Y方向和Z方向的控制方程分量部分，整理成特征波形式的控制方程。
[0016]方程转换模块，用于利用所述整理成特征波形式的控制方程，通过数学运算，转换生成在所述网格节点区域各耦合边上可压缩流体的压力和速度时间导数的方程；
[0017]获取模块，用于获取所述可压缩流体的密度数据以及所述网格节点区域各耦合边的特征波参数；
[0018]求解变量时间推进方程生成模块，用于根据所述所述可压缩流体的密度数据、所述网格节点区域各耦合边的特征波参数以及在所述网格节点区域各耦合边上可压缩流体的压力和速度时间导数的方程，获得耦合边求解变量时间推进方程；
[0019]确定模块，用于根据所述耦合边求解变量时间推进方程，确定可压缩流体中耦合边边界条件。
[0020]本发明耦合边处理的特征无反射边界条件设定方法与系统，首先定义在计算区域网格节点区域，之后生成网格节点区域各耦合边的特征波形式的控制方程，再利用这个方程转换生成耦合边上可压缩流体的压力和速度时间导数的方程，再在这个可压缩流体的压力和速度时间导数的方程代入可压缩流体的密度和耦合边的特征波参数，最后生成耦合边求解变量时间推进方程，根据耦合边求解变量时间推进方程，确定可压缩流体中耦合边边界条件。本发明耦合边处理的特征无反射边界条件设定方法经过严格数学逻辑计算，避免直接采用Euler方程边界条件给定的方法直接应用到Navier-Stokes方程,整个设定过程稳定、准确，且能够很好处理可压缩流体中声波反射的问题，更进一步确保耦合边处理的特征无反射边界条件设定结果的精准。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明耦合边处理的特征无反射边界条件设定方法第一个实施例的流程示意图；
[0022]图2为三维计算区域耦合边特征无反射处理示意图；
[0023]图3为本发明耦合边处理的特征无反射边界条件设定方法第二个实施例的流程示意图；
[0024]图4为本发明耦合边处理的特征无反射边界条件设定系统第一个实施例的结构示意图；
[0025]图5为本发明耦合边处理的特征无反射边界条件设定系统第二个实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
[0027]本发明耦合边处理的特征无反射边界条件设定方法与系统采用的是完全可压缩的Navier-Stokes方程，没有采用其它比如低Ma数近似，进行声学抑制的方法，是真正意义上的完全可压缩流动的直接数值模拟。本发明耦合边处理的特征无反射边界条件设定方法与系统采用的可压缩的控制方程如下:
[0028]连续方程:
【权利要求】
1.一种耦合边处理的特征无反射边界条件设定方法，其特征在于，包括步骤: 定义计算区域中网格节点区域为(I，Xmax) * (I, Ymax)* (I, Zmax),其中Xmax、Ymax和Zmax分别是所述预设计算区域三维空间坐标轴X、Y和Z方向最大的网格点数； 生成计算区域中网格节点区域X、Y和Z三个方向传播的特征波形式方程，并分别计算X方向和Y方向、X方向和Z方向以及Y方向和Z方向的控制方程分量部分，整理成特征波形式的控制方程。 利用所述整理成特征波形式的控制方程，通过数学运算，转换生成在所述网格节点区域各耦合边上可压缩流体的压力和速度时间导数的方程； 获取所述可压缩流体的密度数据以及所述网格节点区域各耦合边的特征波参数； 根据所述所述可压缩流体的密度数据、所述网格节点区域各耦合边的特征波参数以及在所述网格节点区域各耦合边上可压缩流体的压力和速度时间导数的方程，获得耦合边求解变量时间推进方程； 根据所述耦合边求解变量时间推进方程，确定可压缩流体中耦合边边界条件。
2.根据权利要求1所述的耦合边处理的特征无反射边界条件设定方法，其特征在于，所述步骤定义计算区域中网格节点区域为(I，Xmax) * (I, Ymax) * (I, Zmax)之前还有步骤: 根据纳维叶一斯托克斯方程，对可压缩流体进行数值模拟，获取可压缩流体控制方程，其中，所述可压缩流体控制方程包括连续方程、动量方程、温度方程、整理方程和状态方程。
3.根据权利要求1或2所述的耦合边处理的特征无反射边界条件设定方法，其特征在于，所述根据所述耦合边求解变量时间推进`方程，确定可压缩流体中耦合边边界条件具体包括步骤: 根据所述耦合边求解变量时间推进方程，选取与所述耦合边求解变量时间推进方程相应的时间推进格式； 采用所述时间推进格式，获得下一个时间耦合边上求解变量的更新值； 根据所述下一个时间耦合边上求解变量的更新值，确定可压缩流体中耦合边边界条件。
4.根据权利要求1或2所述的耦合边处理的特征无反射边界条件设定方法，其特征在于，所述根据所述耦合边求解变量时间推进方程，确定可压缩流体中耦合边边界条件之后还有步骤: 对确定的可压缩流体中耦合边边界条件进行验证。
5.根据权利要求1或2所述的耦合边处理的特征无反射边界条件设定方法，其特征在于，所述耦合边求解变量包括可压缩流体的速度、密度和温度。
6.一种耦合边处理的特征无反射边界条件设定系统，其特征在于，包括: 定义模块，用于定义计算区域中网格节点区域为(I，Xmax) * (I, Ymax)* (I, Zmax),其中Xmax、Ymax和Zmax分别是所述预设计算区域三维空间坐标轴X、Y和Z方向最大的网格点数； 特征波形式的方程生成模块，用于生成计算区域中网格节点区域X、Y和Z三个方向传播的特征波形式方程，并分别计算X方向和Y方向、X方向和Z方向以及Y方向和Z方向的控制方程分量部分，整理成特征波形式的控制方程。方程转换模块，用于利用所述整理成特征波形式的控制方程，通过数学运算，转换生成在所述网格节点区域各耦合边上可压缩流体的压力和速度时间导数的方程； 获取模块，用于获取所述可压缩流体的密度数据以及所述网格节点区域各耦合边的特征波参数； 求解变量时间推进方程生成模块，用于根据所述所述可压缩流体的密度数据、所述网格节点区域各耦合边的特征波参数以及在所述网格节点区域各耦合边上可压缩流体的压力和速度时间导数的方程，获得耦合边求解变量时间推进方程； 确定模块，用于根据所述耦合边求解变量时间推进方程，确定可压缩流体中耦合边边界条件。
7.根据权利要求6所述的耦合边处理的特征无反射边界条件设定系统，其特征在于，还包括: 控制方程获取模块，用于根据纳维叶一斯托克斯方程，对可压缩流体进行数值模拟，获取可压缩流体控制方程，其中，所述可压缩流体控制方程包括连续方程、动量方程、温度方程、整理方程和状态方程。
8.根据权利要求6或7所述的耦合边处理的特征无反射边界条件设定系统，其特征在于，所述确定模块具体包括: 选取单元，用于根据所述耦合边求解变量时间推进方程，选取与所述耦合边求解变量时间推进方程相应的时间推进格式； 更新值获取单元，用于采用所述时间推进格式，获得下一个时间耦合边上求解变量的更新值； 确定单元，用于根据所述下一个时间耦合边上求解变量的更新值，确定可压缩流体中率禹合边边界条件。
9.根据权利要求6或7所述的耦合边处理的特征无反射边界条件设定系统，其特征在于，还包括: 验证模块，对确定的可压缩流体中耦合边边界条件进行验证。
10.根据权利要求6或7所述的耦合边处理的特征无反射边界条件设定系统，其特征在于，所述耦合边求解变量包括可压缩流体的速度、密度和温度。
【文档编号】G06F19/00GK103514372SQ201310432935
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月22日 优先权日:2013年9月22日
【发明者】李德波 申请人:广东电网公司电力科学研究院