[发明专利]一种基于流固界面一致条件的浸入边界流场计算方法

摘要

本发明涉及一种基于流固界面一致条件的浸入边界流场计算方法，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，固体边界区域；B、调用流场计算模块，求得流场区域的预测值；C、调用固体边界力密度计算模块，获取作用在固体边界上的作用力密度；D、调用流场速度校正模块，获得流场区域的校正值，并更新流场速度；E、调用结果输出模块，将作用在固体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。本发明避免使用动网格技术，大量节省计算资源；克服传统浸入边界法近壁区速度求解时复杂的插值运算，不易计算固体边界作用力密度的缺点。

主权项

一种基于流固界面一致条件的浸入边界流场计算方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：S1、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；S2、调用初值设定模块，对流场区域原始变量设定初始值；调用边值设定模块，对流场区域的边界设定流场边界条件；S3、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；S4、调用固体边界力密度计算模块，通过流固界面速度一致条件，获得固体边界离散的拉格朗日点上的作用力密度：通过流场区域速度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应该等于给定的固体边界的自然速度来实现固体边界力密度的求解，其中xj表示欧拉网格点，x表示欧拉坐标，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，固体边界力密度可写成矩阵F的形式，即求解代数方程组AF＝B    (1)式中(2)式和(3)式中，h为流场区域的网格间距，Δsi为第i段固体边界的面积，为固体边界第i个拉格朗日离散点上的自然速度，u′j＝u′(xj,t)为步骤S3中求得的流场区域第j个单元中心的预测速度，式(4)中表示固体边界拉格朗日点上的固体边界力密度，(2)式和(3)式中的Cji和Dij为信息转换矩阵，定义如下：式中，函数φ可表示为：其中，通过转换矩阵Cji将拉格朗日点上物理量转换到欧拉网格点上，通过转换矩阵Dij将欧拉网格点上物理量转换到拉格朗日点上；通过式(1)求得固体边界离散拉格朗日点上的固体边界力密度，并将结果输出到文件sfor.txt；S5、调用流场速度校正模块，计算流场区域的速度校正值，并更新流场速度，所述流场区域速度校正值Δu(xj,t)为：流场区域速度可由下式更新u(xj,t)＝u′(xj,t)+Δu(xj,t)    (9)式中u(xj,t)为第j个欧拉网格点上下一步的速度，可表示步骤S3中的预测速度u′(xj,t)和式(8)计算得到的校正速度Δu(xj,t)之和；S6、调用结果输出模块，将作用在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；S7、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S3、S4、S5和S6；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。