不可压粘性流体浸入边界直接力法及软件实现

发布时间：2021-03-06 02:41

　　浸入边界法通过在N-S方程中施加体积力模拟不可滑移固壁边界及动边界,避免生成复杂贴体网格及动网格,极大地节省了网格建模时间及动网格计算消耗。本文提出一种新型附加体积力简化计算方法,将简化附加体积力以源项形式嵌入动量方程迭代中,通过用户自定义函数对CFD软件FLUENT二次开发,实现了浸入边界法和通用流体力学求解器的耦合计算。通过静止圆柱和动圆柱绕流数值模拟进行了验证,并探讨了插值函数对计算精度的影响。研究表明,通过引入浸入边界模型,能够提高计算效率,并实现结构网格背景下复杂边界和动边界的高效建模。 

【文章来源】：计算力学学报. 2019,36(04)北大核心

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

图１浸入边界法Ｆｉｇ．１Ｌａｙｏｕｔｏｆｔｈｅｉｍｍｅｒｓｅｄｂｏｕｎｄａｒｙｍｅｔｈｏｄ

则插值：ｄ２（ｒ）＝１３（１＋－３ｒ２槡＋１）（ｒ≤０．５）１６（５－３ｒ－－３（１－ｒ）２槡＋１）（０．５＜ｒ＜１．５）０（ｒ≥１．５烅烄烆）（１５）四点正则插值：ｄ３（ｒ）＝１８（３－２ｒ＋１槡＋４ｒ－４ｒ２）（ｒ≤１）１８（５－２ｒ－槡－７＋１２ｒ－４ｒ２）（１＜ｒ＜２）０（ｒ≥２烅烄烆）（１６）在不同插值函数作用下，ＩＢ点与网格点的相互关系如图２所示（一维为例）。以四点正则插值函数为例，对于任意ＩＢ点，与其对应的ｒ≤１和１＜ｒ＜２的网格点一维共４个，二维共１６个，各ＩＢ点附加体积力由对应网格流场信息插值得到。图２不同插值函数作用下ＩＢ点与网格点对应关系Ｆｉｇ．２ＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎＩＢｐｏｉｎｔｓａｎｄｇｒｉｄｐｏｉｎｔｓｗｉｔｈｄｉｆｆｉｅｒｅｎｔｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎ１２５第４期许栋，等：不可压粘性流体浸入边界直接力法及软件实现

）以源项形式嵌入动量方程的迭代中，并选用ＳＩＭＰＬＥ算法求解。（４）输出参数（ＤＥＦＩＮＥ＿ＥＸＥＣＵＴＥ＿ＡＴ＿ＥＮＤ）。每次时间步迭代完成后，计算输出圆柱绕流阻力系数Ｃｄ和升力系数Ｃｌ等力学参数。３计算模型与参数对层流状态下静止圆柱和运动圆柱绕流问题分别进行数值模拟验证。对于静止圆柱绕流模拟，根据Ｕｈｌｍａｎｎ［１５］建议，当计算域宽度Ｗ≥４０Ｄ时，可以忽略边壁影响。几何长度以圆柱直径Ｄ图３ＩＢＭ模型在ＦＬＵＮＥＴ中的计算过程Ｆｉｇ．３ＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅｏｆｔｈｅＩＢＭｍｏｄｅｌｉｎＦＬＵＥＮＴ为基本量，无量纲化后计算域尺寸为Ｌ×Ｗ＝４０×４０。左侧为速度入口边界ｖｅｌｏｃｉｔｙ－ｉｎｌｅｔ，流速大小Ｕ０＝１。右侧为自由出流边界ｏｕｔｆｌｏｗ；上下边界均为对称边界ｓｙｍｍｅｔｒｙ，如图４所示。采用正交网格，为减小计算量，在圆柱附近局部加密，如图５所示。最小网格尺寸为ｄｘ＝１／２０，总网格数为７８４００。固体物面边界上ＩＢ点个数设为１８０。流体密度ρ＝１，通过调整粘滞系数使雷诺数Ｒｅ分别为４０，１００，１５０和２００。时间无量纲化形式为Ｔ＝Ｕ０·ｔ／Ｄ，计算时间步长为Δｔ＝０．００１，ＣＦＬ数小于０．１，满足数值稳定性要求。动圆柱绕流计算域为Ｌ×Ｗ＝９５×２０的矩形区域，右侧边界为速度进口，流速大小为０．５，左侧边界为自由出流，上下均为对称边界。动圆柱中心初始时刻坐标为

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于浸入边界-格子Boltzmann通量求解法的椭圆柱流动特性分析[J]. 吴晓笛,刘华坪,陈浮.  计算力学学报. 2018(03)
[2]防风网透流风空气动力学特性大涡数值模拟研究[J]. 许栋,申振东,高喜峰,薛法兴,夏绪林,及春宁.  计算力学学报. 2015(04)
[3]基于浸入边界法的鱼体自主游动的数值模拟[J]. 王文全,郝栋伟,闫妍,张立翔.  计算力学学报. 2014(05)
[4]适用于浸入边界法的大涡模拟紊流壁面模型[J]. 及春宁,黄继露,肖忠.  计算力学学报. 2013(06)
[5]基于嵌入式迭代的高精度浸入边界法[J]. 及春宁,刘爽,杨立红,肖忠.  天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2014(05)
[6]非结构网格变形方法研究进展[J]. 周璇,李水乡,孙树立,刘剑飞,陈斌.  力学进展. 2011(05)



本文编号：3066299