一种新的投影浸入边界法的速度校正方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种新的投影浸入边界法的速度校正方法，属于计算流体力学及其流 固禪合模拟技术领域。
【背景技术】
[0002] 流固禪合问题的难点之一是流体和固体使用不同的数学描述框架。通常，流体运 动使用欧拉描述，而固体运动使用拉格朗日描述；传统的浸入边界法，固体边界区域流场速 度的校正大多采用线性（双线性）插值获得，往往插值过程计算异常复杂，计算工作量大， 计算效率低。为此，本发明提出一种新的投影浸入边界法的速度校正方法，将流场区域划分 为纯流场区域和次流场区域，纯流场区域速度不再校正，对次流场区域，先进行欧拉网格点 属性判断，如果属于固体内部，直接让速度等于零，如果属于固体外部，再根据流固边界作 用力密度进行修正。避免了近壁区速度求解时复杂的插值过程，计算工作量大大降低，提高 计算效率。
【发明内容】
[0003] 本发明提供了一种新的投影浸入边界法的速度校正方法，W用于克服传统浸入边 界法在近壁区速度求解方法上计算异常复杂，计算工作量大，计算效率低的问题，避免了近 壁区速度求解时复杂的插值过程，计算工作量大大降低，提高计算效率。
[0004] 本发明新的投影浸入边界法的速度校正方法是该样实现的；所述方法的具体步骤 如下：
[0005] A、调用网格划分模块，采用两套网格：流场区域、固体边界区域；其中流场区域在 欧拉描述下采用笛卡尔网格离散，固体边界区域在拉格朗日描述下使用适体曲线网格离 散，流场区域包括纯流场区域和次流场区域；
[0006]B、调用流场速度预测模块，采用分步投影方法，求解不可压缩粘性牛顿流体的流 动控制方程，求得流场区域原始变量的预测值；
[0007] C、调用欧拉网格点属性判断模块，判断欧拉网格点属于固体内部区域还是固体外 部区域；
[000引D、调用流场速度校正模块，更新流场速度；
[0009]E、调用结果输出模块，将作用在流固体边界上的力W及流场信息输出到文件，供 后台处理软件读取显示；
[0010]F、判断是否结束计算：
[0011] 如果At?n<T，则进入下一时间步，继续执行步骤B、C、D、E和F;
[0012] 如果At?n>T，则结束整个计算；
[001引其中At为时间步长，T为要求计算的总物理时间，n为时间步数。
[0014] 所述步骤A中，所述流场区域包括流体和固体所占据的空间区域；在空间上将流 场区域划分为纯流场区域和次流场区域，纯流场区域指不受固壁边界层影响并且不包含固 体在内的空间区域，次流场区域指受固壁边界层影响并完全包含固体在内的空间区域。
[0015] 所述步骤A中，流场区域在欧拉描述下采用笛卡尔网格划分，其网格单元节点上 的流场变量称为欧拉变量，并将节点坐标信息Xj.输出到文件fcor.txt;固体边界区域在拉 格朗日描述下使用适体曲线网格划分，其网格节点上的变量称为拉格朗日变量，相应网格 节点坐标信息X(Si)输出到文件scor.txt。
[0016] 所述步骤B中，流场速度预测模块是指在初、边值条件下采用分步投影方法求解 不可压缩粘性牛顿流体的流动控制方程，获取流场区域的压力，进而获得流场区域的预测 速度U' (Xj.，t)，并通过程序接口，提取笛卡尔网格节点上的预测速度U' (Xj.，t)，输出到文 件fvel.txt。
[0017] 所述步骤c中，欧拉网格点属性判断模块具体步骤如下：
[001引C1、固体边界离散节点外法线方向求解模块；对任一固体边界离散节点X(Si)，其 相邻两个节点分别为X(Sh)和X(sw)，通过此S点作一条抛物线近似该段曲线，WS为参 数，该抛物线方程表示为
[0019]
【主权项】
1. 一种新的投影浸入边界法的速度校正方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如 下： A、 调用网格划分模块，采用两套网格：流场区域、固体边界区域；其中流场区域在欧拉 描述下采用笛卡尔网格离散，固体边界区域在拉格朗日描述下使用适体曲线网格离散，流 场区域包括纯流场区域和次流场区域； B、 调用流场速度预测模块，采用分步投影方法，求解不可压缩粘性牛顿流体的流动控 制方程，求得流场区域原始变量的预测值； C、 调用欧拉网格点属性判断模块，判断欧拉网格点属于固体内部区域还是固体外部区 域； D、 调用流场速度校正模块，更新流场速度； E、 调用结果输出模块，将作用在流固体边界上的力以及流场信息输出到文件，供后台 处理软件读取显示； F、 判断是否结束计算： 如果Λ t · η < T，则进入下一时间步，继续执行步骤B、C、D、E和F ; 如果Λ t · η彡Τ，则结束整个计算； 其中Λ t为时间步长，T为要求计算的总物理时间，η为时间步数。
2. 根据权利要求1所述的一种新的投影浸入边界法的速度校正方法，其特征在于：所 述步骤A中，所述流场区域包括流体和固体所占据的空间区域；在空间上将流场区域划分 为纯流场区域和次流场区域，纯流场区域指不受固壁边界层影响并且不包含固体在内的空 间区域，次流场区域指受固壁边界层影响并完全包含固体在内的空间区域。
3. 根据权利要求1所述的一种新的投影浸入边界法的速度校正方法，其特征在于：所 述步骤A中，流场区域在欧拉描述下采用笛卡尔网格划分，其网格单元节点上的流场变量 称为欧拉变量，并将节点坐标信息\输出到文件fcor. txt ;固体边界区域在拉格朗日描述 下使用适体曲线网格划分，其网格节点上的变量称为拉格朗日变量，相应网格节点坐标信 息X(S i)输出到文件scor. txt。
4. 根据权利要求1所述的一种新的投影浸入边界法的速度校正方法，其特征在于： 所述步骤B中，流场速度预测模块是指在初、边值条件下采用分步投影方法求解不可压 缩粘性牛顿流体的流动控制方程，获取流场区域的压力，进而获得流场区域的预测速度 u' (\，t)，并通过程序接口，提取笛卡尔网格节点上的预测速度u' (\，t)，输出到文件 fvel. txt〇
5. 根据权利要求1所述的一种新的投影浸入边界法的速度校正方法，其特征在于：所 述步骤C中，欧拉网格点属性判断模块具体步骤如下： C1、固体边界离散节点外法线方向求解模块；对任一固体边界离散节点X(Si)，其相邻 两个节点分别为X (SiJ和X (si+1)，通过此三点作一条抛物线近似该段曲线，以s为参数，该 抛物线方程表示为
式中?cKW.，c(.为二次抛物线方程⑴的系数，由此三点的坐标唯一确定； 该段曲线上任意一点的外法线方向及表示为
此处，「」分别表示x，y方向的单位矢量，式中Xs, Ys*别表示（1)式中X (S)和Y (S)对 参数s求一次导数； C2、任一流体网格节点方向导数求解模块；对任一流体网格节点求得与之最近的 固体边界离散节点X(Smin)，从该固体边界离散节点X(Smin)到流体网格节点\的方向导数 表示为
式中XimiMTn分别表示（1)式中X (S)和Y (S)对参数S的一次导数在离散节点X (Smin) 的值； C3、任一流体网格节点属性判断模块；对任一流体网格节点Xj，定义
如果δ彡〇,则认为该流体|Wj格节点位于固体外部，如果δ〈〇,则认为该流体|Wj格节点 位于固体内部。
6.根据权利要求1所述的一种新的投影浸入边界法的速度校正方法，其特征在于：所 述步骤D中，更新流场速度的具体步骤如下： D1、流固界面力密度F；求解模块；通过流场次区域速度u' (Xj，t)和δ (x-X(s，t))近 似光滑函数得到的固体边界拉格朗日点上的速度u(X(Si)等于给定的固体边界的自然速度 U(Xp)，来实现流固边界力密度巧的求解，并将结果输出到文件Sf0r. txt ;其中S为固体 边界离散曲线网格点的初始构型坐标，t为时间，变量下标i和j分别表示固体边界离散曲 线网格第i个节点和流场区域欧拉网格第j个单元； D2、流场区域速度校正模块； D2. 1、如果流体网格节点x/立于纯流场区域，该节点速度不需要校正，即 u(Xj, t) = ur (Xj, t) (6) D2. 2、如果流体网格节点x/立于次流场区域，调用欧拉网格点属性判断模块： D2. 2. 1、如果流体网格节点x/立于固体内部，流体网格节点X 度式中u(Xp t)由下 式更新 u (Xj, t) = O (7) D2. 2. 2、如果流体网格节点Xj位于固体外部，其速度校正值Λu(X」，t)为：
流体网格节点Xj速度U (X j, t)由下式更新 u(Xj，t)=u, (Xj, t) + Δ U (Xj, t) (11) 〇
【专利摘要】本发明涉及一种新的投影浸入边界法的速度校正方法，属于计算流体力学及其流固耦合模拟技术领域。本发明包括A、调用网格划分模块，采用两套网格：流场区域欧拉网格，固体边界区域拉格朗日网格；B、调用流场速度预测模块，求得流场区域的预测值；C、调用欧拉网格点属性判断模块，判断欧拉网格点属于固体内部区域还是固体外部区域；D、调用流场速度校正模块，更新流场速度；E、调用结果输出模块，将作用在流固边界上的力以及流场信息输出到文件，供后台读取显示；F、判断是否结束计算。本发明克服传统投影浸入边界法近壁区速度求解时复杂的插值运算，节约了计算资源，提高了计算效率。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104866712
【申请号】CN201510236607
【发明人】王文全, 闫妍
【申请人】昆明理工大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月11日