[发明专利]基于有限体积法的剪切滑移动网格方法

说明书

本发明提出一种基于有限体积法的剪切滑移动网格方法，该方法在计算过程中网格单元的拓扑关系比较清晰，可以避免非匹配连接网格之间的插值。而且考虑了剪切‑滑移过程中由于网格重构导致单元流场值发生的改变，满足了局部守恒性。另一方面，由于网格之间采取匹配连接，因此通常的高精度空间离散格式可以不经过修改直接应用到本方法中，因此本方法具有易于采用高精度格式的优点。

技术领域

本发明涉及计算流体力学领域，尤其涉及网格重构方法，具体为一种基于有限体积法的剪切滑移动网格方法。

背景技术

直升机旋翼、螺旋桨、发动机内流、风机等这类在航空、能源领域广泛应用的机械，微小性能的提高将会产生巨大的经济效益及其它方面的价值。对于含有旋转部件的流场，通常存在者旋涡、分离等现象。对这些部件进行气动分析和优化广泛采用CFD数值模拟方法。由于流场中涉及到物体的大幅度相对运动，因此需要用到动网格技术。在实际工程应用中合适的动网格技术往往是正确模拟这些复杂流动的关键所在。

通常进行非定常数值模拟用到的动网格技术有变形动网格，重叠网格，滑移网格。变形动网格技术如弹簧拉伸法，基于Delaunay背景网格插值方法等，其只能处理小尺度的相对运动，并不适合于连续转动的数值模拟问题。因此对于旋转部件这类问题进行数值模拟，通常采用的动网格方法有重叠网格技术和滑移网格技术。采用这两种动网格方法进行数值模拟时，在每一个物理时间步都不可避免在非匹配方式连接的网格之间对流场变量进行插值。当激波这类强间断穿越插值区域时，会出现较大的插值误差，导致实现非匹配方式连接的网格之间的高精度插值非常复杂。另外，通过插值方法也难以保证局部守恒性，虽然对于滑移网格可以利用边界裁剪法来实现守恒性，但是算法也是非常复杂。

1998年美国的T.E.Tezduyar和M.Behr提出了基于有限元法的剪切-滑移网格方法。其计算过程中虽然避免了非匹配连接网格之间的插值，但是并没有考虑到由于网格重构而引起的流场变量变化，因此局部守恒性仍然没有得到保证。而且该方法主要应用局限于流线迎风Petrov-Galerkin(SUPG)有限元法中，但空间离散高精度格式的SUPG方法实现方式也是非常复杂的。

发明内容

本发明的目的是针对含有大幅度相对运动的流场数值模拟问题提供一种基于有限体积法的动网格方法。该方法在计算过程中网格单元的拓扑关系比较清晰，可以避免非匹配连接网格之间的插值。而且考虑了剪切-滑移过程中由于网格重构导致单元流场值发生的改变，满足了局部守恒性。另一方面，由于网格之间采取匹配连接，因此通常的高精度空间离散格式可以不经过修改直接应用到本方法中，因此本方法具有易于采用高精度格式的优点。

本发明的技术方案为：

所述一种基于有限体积法的剪切滑移动网格方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据待分析模型建立模型运动的流场网格，其中流场网格分为包围模型的运动区网格，包围运动区网格的缓冲区网格以及包围缓冲区网格的静止区网格；

步骤2：将步骤1建立的流场网格导入CFD数值模拟软件中，并进行前处理；

步骤3：进行一个时间推进内的网格运动：

静止区网格保持静止，运动区网格随模型运动，与静止区网格对接的缓冲区网格边界顶点保持静止，与运动区网格对接的缓冲区网格边界顶点跟随运动区网格运动，缓冲区网格内部网格顶点的剪切位移通过插值方式获得；

步骤4：计算网格几何参数和流场，计算过程中的时间离散格式采用N到N+1步推进具有二阶以上精度的格式；

步骤5：判断网格质量，如果网格质量满足计算要求则进入步骤8，否则进入步骤6；

步骤6：采用滑移方法对网格进行重构：根据释放缓冲区网格形变的要求，确定缓冲区网格与静止区网格界面上的滑移位移以及对应关系，然后通过插值方式计算缓冲区网格内部顶点的位移，实现缓冲区网格滑移运动；