一种基于预测刚体与流体耦合作用的浸入边界反馈力方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于预测刚体与流体耦合作用的浸入边界反馈力方法，属于计算流体力学及其流固耦合模拟【技术领域】。本发明包括步骤：A、调用网格划分模块，采用两套网格：流场区域，刚体区域；B、调用初值计算模块，求得流场区域的稳态流场作为流场瞬态计算的初值条件；C、调用浸入边界法模块，在时间上推进由刚体和流场组成的整个物理系统，并在浸入边界法模块中设定如下三个子模块：流场计算模块、信息交换模块和反馈力计算模块；D、调用结果输出模块，将作用在刚体上的力以及流场信息输出到文件，供后台读取显示；E、判断是否结束计算。本发明避免使用动网格技术，大量节省计算资源；克服刚体变形能为零，不易计算固体作用力密度的缺点。
【专利说明】一种基于预测刚体与流体耦合作用的浸入边界反馈力方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于预测刚体与流体耦合作用的浸入边界反馈力方法，属于计算流体力学及其流固耦合模拟【技术领域】。
【背景技术】 [0002]流固耦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，常将固体简化为弹性体，其变形能(或固体作用力密度)容易求解。而对于刚体，由于变形能为零，无法计算出固体作用力密度，传统的浸入边界法解决刚体与流体的耦合作用就无能为力。为此，本发明提出反馈力浸入边界法，就是为解决刚体与流体之间的耦合作用问题。
[0003]浸入边界法提供了一种方式，使这两种框架相互联系在一起。而浸入边界法将浸入流体的固体模化成Navier-Stokes动量方程中的体力，这样整个物理区域(流体区域和刚体区域)可以看成一个流场进行求解。浸入边界法采用两套网格，整个物理区域在欧拉描述下采用笛卡尔网格离散，刚体区域在拉格朗日描述下使用适体曲线网格离散。拉格朗日变量和欧拉变量的信息交换通过近似光滑函数实现。两套网格互不关联，流场求解不再使用动网格技术，从而避免了网格畸形以及离散网格几何不守恒等问题，能够有效地处理刚体与流体的相互作用问题。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种基于预测刚体与流体耦合作用的浸入边界反馈力方法，以用于克服传统浸入边界法在计算刚体与流体耦合作用上的不足。
[0005]本发明的技术方案是:一种基于预测刚体与流体耦合作用的浸入边界反馈力方法，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，刚体区域；其中流场区域在欧拉描述下采用笛卡尔网格离散，刚体区域在拉格朗日描述下使用适体曲线网格离散；
B、调用初值计算模块，求得流场区域的稳态流场作为流场瞬态计算的初值条件；
C、调用浸入边界法模块，在时间上推进由刚体和流场组成的整个物理系统，并在浸入边界法模块中设定如下三个子模块:流场计算模块、信息交换模块和反馈力计算模块；其中在执行流场计算模块和反馈力计算模块时都要调用信息交换模块；
D、调用结果输出模块，将作用在刚体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；
E、判断是否结束计算:
如果Λ t.η<Τ,则进入下一时间步，继续执行步骤C和D ;
如果Λ t.η ^八则结束整个计算；
其中Λ t为时间步长，T为要求计算的总物理时间，/7为时间步数。
[0006]所述流场区域包括流体和刚体区域。[0007]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，其网格单元中心或节点上的流场变量称为欧拉变量，并将单元坐标信息输出到文件fnode.txt ;刚体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输出到文件snode.txt。
[0008]所述步骤B中，调用初值计算模块通过调用流体求解器，将流场区域看成欧拉描述下单一流场的求解，求得流场区域的稳态流场作为流场瞬态计算的初值条件。
[0009]所述步骤C中，
流场计算模块通过将笛卡尔网格单元中心上附加的流场力密度fforce.txt对应加载到相应的流场单元上，然后调用流体求解器，求解附加了流场力密度的瞬态流场控制方程，并通过程序接口，提取笛卡尔网格单元中心上的流场速度，输出到文件fvelocity.txt。
[0010]所述步骤C中，
信息交换模块为实现拉格朗日变量与欧拉变量之间的转换:
若流场区域由固定的等距的欧拉网格离散，网格间距Ax = Ay = Δζ = k ,采用S(X-X(Sj))近似光滑函数，其表达式为:
【权利要求】
1.一种基于预测刚体与流体耦合作用的浸入边界反馈力方法，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，刚体区域；其中流场区域在欧拉描述下采用笛卡尔网格离散，刚体区域在拉格朗日描述下使用适体曲线网格离散； B、调用初值计算模块，求得流场区域的稳态流场作为流场瞬态计算的初值条件； C、调用浸入边界法模块，在时间上推进由刚体和流场组成的整个物理系统，并在浸入边界法模块中设定如下三个子模块:流场计算模块、信息交换模块和反馈力计算模块；其中在执行流场计算模块和反馈力计算模块时都要调用信息交换模块； D、调用结果输出模块，将作用在刚体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； E、判断是否结束计算: 如果Λ t.η<Τ,则进入下一时间步，继续执行步骤C和D ; 如果Λ t.η ^八则结束整个计算； 其中Λ t为时间步长，t为要求计算的总物理时间，/7为时间步数。
2.根据权利要求1所述的基于预测刚体与流体耦合作用的浸入边界反馈力方法，其特征在于:所述流场区域包括流体和刚体区域。
3.根据权利要求1所述的基于预测刚体与流体耦合作用的浸入边界反馈力方法，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，其网格单元中心或节点上的流场变量称为欧拉变量，并将单元坐标信息输出到文件fnode.txt ;刚体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输出到文件snode.txt。
4.根据权利要求1所述的基于预测刚体与流体耦合作用的浸入边界反馈力方法，其特征在于:所述步骤B中，调用初值计算模块通过调用流体求解器，将流场区域看成欧拉描述下单一流场的求解，求得流场区域的稳态流场作为流场瞬态计算的初值条件。
5.根据权利要求1所述的基于预测刚体与流体耦合作用的浸入边界反馈力方法，其特征在于:所述步骤C中， 流场计算模块通过将笛卡尔网格单元中心上附加的流场力密度fforce.txt对应加载到相应的流场单元上，然后调用流体求解器，求解附加了流场力密度的瞬态流场控制方程，并通过程序接口，提取笛卡尔网格单元中心上的流场速度，输出到文件fvelocity.txt。
6.根据权利要求1所述的基于预测刚体与流体耦合作用的浸入边界反馈力方法，其特征在于:所述步骤C中， 信息交换模块为实现拉格朗日变量与欧拉变量之间的转换: 若流场区域由固定的等距的欧拉网格离散，网格间距Δζ = = Δζ = λ ,采用Mx-X(W))近似光滑函数，其表达式为:
7.根据权利要求1所述的基于预测刚体与流体耦合作用的浸入边界反馈力方法，其特征在于:所述步骤C中， 反馈力计算模块: 已知刚体曲线网格节点上的速度svelocity.txt,通过向后差分,获得曲线网格节点上的位移，并输出到文件sdisplace.txt ； 对于刚体，采用反馈力函数，即: ￥(s,t) = Ks(s-X(s,i))(5) 式中，F(s,i)为刚体反馈力密度，化为反馈力系数，X(M)为刚体内离散曲线网格点的现时构型坐标； 通过(5)式，计算得到刚体反馈力密度分布，并输出到文件sforce.txt。
【文档编号】G06F19/00GK103778326SQ201410009812
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月9日 优先权日:2014年1月9日
【发明者】王文全, 闫妍, 张立翔, 曾云, 杨洋, 李金海, 杨锡阶, 郭涛 申请人:昆明理工大学