一种新的投影浸入边界法的速度校正方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术包括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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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

技术介绍
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，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，本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术提供了一种新的投影浸入边界法的速度校正方法，以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。本专利技术新的投影浸入边界法的速度校正方法是这样实现的：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△t·n＜T，则进入下一时间步，继续执行步骤B、C、D、E和F；如果△t·n≥T，则结束整个计算；其中△t为时间步长，T为要求计算的总物理时间，n为时间步数。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。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。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。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(si-1)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X(s)=axis2+bxis+cxiY(s)=ayis2+byis+cyi---(1)]]>式中为二次抛物线方程(1)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表示为Nx=-YsXs2+Ys2Ny=XsXs2+Ys2---(2)]]>此处，分别表示x,y方向的单位矢量，式中Xs,Ys分别表示(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xj，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xj的方向导数n→j=(nxji→,nyjj→)]]>表示为nxj=xj-X(smin)(xj-X(smin))2+(yj-Y(smin))2nyj=yj-Y(simin)(xj-X(smin))2+(yj-Y(smin))2---(3)]]>依据式(2)，对固体边界离散节点X(smin)，其外法线方向表示为Nxmin=-Ysmin(Xsmin)2+(Ysmin)2Nymin=Xsi(Xsmin)2+(Ysmin)2---(4)]]>式中分别表示(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δ=nxj·Nxmin+nyj·Nymin---(5)]]>如果δ≥0，则认为该流体网格节点位于固体外部，如果δ<0，则认为该流体网格节点位于固体内部。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来实现流固边界力密度的求解，并将结果输出到文件sfor.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xj位于纯流场区域，该节点速度不需要校正，即u(xj,t)＝u′(xj,t)             (6)D2.2、如果流体网格节点xj位于次流场区域，调用欧拉网格点属性判断模块：D2.2.1、如果流体网格节点xj位于固体内部，流体网格节点xj速度式中u(xj,t)由下式更新u(xj,t)＝0             (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Δu(xj,t)为：Δu(xj,t)=ΣiCjiF(XBi,t)ΔsiΔt(i=1,2,...M;j=1,2,...,N)---(8)]]>式中Δsi为第i段固体边界的面积，式中的Cji为信息转换矩阵，定义如下：Cji=C(XBi-xj)=1h2φ(XBi-xjh)φ(YBi-yjh)φ(ZBi-zjh)---(9)]]>式中，h为流场区域的网格间距，函数φ表示为：φ(r)=1/8(3本文档来自技高网...

【技术保护点】
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△t·n＜T，则进入下一时间步，继续执行步骤B、C、D、E和F；如果△t·n≥T，则结束整个计算；其中△t为时间步长，T为要求计算的总物理时间，n为时间步数。

【技术特征摘要】
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△t·n＜T，则进入下一时间步，继续执行步骤B、C、D、E和F；
如果△t·n≥T，则结束整个计算；
其中△t为时间步长，T为要求计算的总物理时间，n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。
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′(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。
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(...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文全，闫妍，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53