第13章 计算流体力学CFD(5)

第13章计算流体力学CFD(5)6计算流体力学的基本方法6.1Lax-Wendroff方法Lax-Wendroff方法Lax-Wendroff方法是一种显式有限差分方法，适合于推进求解。二维时间推进网格Lax-Wendroff方法Lax-Wendroff方法在时间和空间上都具有二阶精度。二维时间推进网格Lax-Wendroff方法非定常二维无粘流（欧拉方程非守恒形式）：Lax-Wendroff方法Lax-Wendroff显式推进求解(沿时间方向进行泰勒级数展开)：Lax-Wendroff方法空间导数采用中心差分：Lax-Wendroff方法()求对时间t的二阶导数：Lax-Wendroff方法[]Lax-Wendroff方法[]Lax-Wendroff方法Lax-Wendroff显式推进求解：6.2MacCormack方法MacCormack方法MacCormack方法在时间和空间上都具有二阶精度。MacCormack方法是一种显式有限差分方法，适合于推进求解。MacCormack方法比Lax-Wendroff方法应用起来更简单。MacCormack方法校正步预估步MacCormack方法预估步：空间导数用向前差分计算。MacCormack方法预估步：空间导数用向前差分计算。预估值：MacCormack方法校正步：空间导数用向后差分计算。MacCormack方法MacCormack方法在MacCormack方法中，预估步用向前差分，校正步用向后差分；也可以预估步用向后差分，校正步用向前差分。或者在时间推进解法的相继两个时间步中轮流使用这两种办法。6.3粘性流动、守恒形式和空间推进6.3.1粘性流动粘性流动粘性流动的控制方程是N-S方程。对定常流动，N-S方程的数学性质更多地表现为椭圆型的，不能采用Lax-Wendroff方法和MacCormack方法求解。对非定常流动，可以采用Lax-Wendroff方法或MacCormack方法求解N-S方程。6.3.2守恒形式守恒形式22vevuU可以采用Lax-Wendroff方法或MacCormack方法求解U的分量在各时间步的值。非定常守恒形式欧拉方程（二维）：6.3.3空间推进空间推进定常守恒型二维欧拉方程：对于亚声速流动，上述方程是椭圆型的，所有空间推进方法都不适用，MacCormack方法也不适用。空间推进对于超声速流动，上述方程是双曲型的，空间推进方法适用，MacCormack方法也适用。定常守恒型二维欧拉方程：空间推进MacCormack方法：定常守恒型二维欧拉方程：空间推进预测步：（向前差分）预估值：空间推进预估值：空间推进校正步：（向后差分）6.4松弛法及其在低速无粘流动中的应用松弛法及其在低速无粘流动中的应用松弛法特别适合于求解椭圆型偏微分方程，常被用来求解无粘亚声速的低速流动。松弛法及其在低速无粘流动中的应用考虑无粘不可压流体的二维无旋流动，控制方程为Laplace方程：松弛法及其在低速无粘流动中的应用松弛法是一种迭代法上标n和n+1表示迭代次数松弛法及其在低速无粘流动中的应用松弛法是一种迭代法松弛法及其在低速无粘流动中的应用松弛法是一种迭代法松弛法及其在低速无粘流动中的应用松弛法是一种迭代法从左至右扫描松弛法及其在低速无粘流动中的应用松弛法是一种迭代法当所有网格点处的都小于一个预定的值时，迭代收敛。njinji,1,松弛法及其在低速无粘流动中的应用运用逐次松弛法可加快收敛的过程。从左至右扫描从下至上扫描松弛法及其在低速无粘流动中的应用运用逐次松弛法可加快收敛的过程。是松弛因子，如果1，叫做逐次超松弛法；如果1，叫做逐次低松弛法。松弛法及其在低速无粘流动中的应用运用逐次松弛法可加快收敛的过程。选取合适的值，可以减少迭代次数，从而减少计算时间。在某些问题中，迭代次数可减少到原来的1/306.5数值耗散、色散及人工粘性数值耗散、色散及人工粘性一维波动方程：差分方程：截断误差：数值耗散、色散及人工粘性差分方程：泰勒级数展开：数值耗散、色散及人工粘性差分方程：将泰勒级数展开代入差分方程得：数值耗散、色散及人工粘性差分方程：将泰勒级数展开代入差分方程得：数值耗散、色散及人工粘性差分方程：等号右边将对t的偏导数转化为对x的偏导数得：数值耗散、色散及人工粘性差分方程：偏微分方程（修正方程）：一维波动方程（偏微分方程）：数值耗散、色散及人工粘性差分方程：一维波动方程（偏微分方程）：差分方程的精确解是上述一维波动方程的数值解（含误差）数值耗散、色散及人工粘性差分方程：差分方程的精确解是上述修正方程的精确解（不含误差）偏微分方程（修正方程）：数值耗散、色散及人工粘性差分方程：偏微分方程（修正方程）：一维波动方程（偏微分方程）：数值耗散、色散及人工粘性修正方程等号右端的项是截断误差，如果截断误差的主项是偶数阶导数，数值解将主要表现出耗散行为；如果主项是奇数阶导数，数值解将主要表现出色散行为。偏微分方程（修正方程）：数值耗散、色散及人工粘性等号右端的偶数阶导数项起数值耗散的作用，奇数阶导数项起数值色散的作用。偏微分方程（修正方程）：数值耗散、色散及人工粘性数值耗散的作用很象物理粘性，二阶导数项前的系数被称为人工粘性。偏微分方程（修正方程）：数值耗散、色散及人工粘性数值耗散的影响会将波抹平数值耗散、色散及人工粘性色散导致波的不同相位在传播中产生畸变，表现为波前和波后出现振荡。数值耗散、色散及人工粘性尽管人工粘性降低了解的精度，但通常有助于提高解的稳定性。偏微分方程（修正方程）：6.6交替方向隐式(ADI)方法交替方向隐式(ADI)方法考虑二维热传导方程：等号右端有五个未知量，不能得到三对角方程组，不能采用托马斯算法（追赶法）求解。采用Crank-Nicolson方法（隐式）：交替方向隐式(ADI)方法考虑二维热传导方程：第一步：时间步长为，空间导数采用中心差分，只对x的导数采用隐式处理。交替方向隐式(ADI)方法第一步：简化为三对角形式交替方向隐式(ADI)方法第一步：对每一个固定的j，对所有的i联立形成方程组。对不同的j，重复上述过程。交替方向隐式(ADI)方法考虑二维热传导方程：第二步：时间步长为，空间导数采用中心差分，只对y的导数采用隐式处理。交替方向隐式(ADI)方法第二步：简化为三对角形式交替方向隐式(ADI)方法第二步：对每一个固定的i，对所有的j联立形成方程组。对不同的i，重复上述过程。交替方向隐式(ADI)方法两步结束之后，T在时间方向上推进了一个时间步长t.考虑二维热传导方程：推进过程只涉及三对角方程组。交替方向隐式(ADI)方法第一步，差分方程的x方向是隐式的。考虑二维热传导方程：所以这种方法叫交替方向隐式方法(AlternatingDirectionImplicit,ADI)第二步，差分方程的y方向是隐式的。交替方向隐式(ADI)方法考虑二维热传导方程：ADI格式对t,x,y都是二阶精度的截断误差为：6.7压力修正法及其在不可压粘性流动中的应用压力修正法及其在不可压粘性流动中的应用不可压无粘流动受椭圆型偏微分方程控制（不可压欧拉方程），松弛法是求解椭圆型问题经典的数值方法，本质上是一个迭代过程。压力修正法及其在不可压粘性流动中的应用不可压粘性流动的控制方程是不可压的N－S方程，这个方程具有椭圆型和抛物型的混合特性，松弛法不是特别适用。压力修正法及其在不可压粘性流动中的应用压力修正法也是一种迭代过程，在不可压N－S方程的数值求解中得到了广泛的应用。6.7.1不可压N－S方程不可压N－S方程假设=常数，=常数，可压缩N－S方程转化为不可压N－S方程：上述四个方程封闭，含四个未知数。6.7.2交错网格的应用交错网格的应用二维不可压流体的连续性方程为：中心差分格式为：右上角是u的值，左下角是v的值速度会出现右图的棋盘式分布交错网格的应用右上角是u的值，左下角是v的值可压流动中不会发生右图的问题，因为连续性方程中包含了密度对时间和空间的变化。0Vt在可压缩流动中，右图速度的棋盘分布经过一个时间步就会被抹平。交错网格的应用二维不可压流体压力梯度采用中心差分：棋盘式的离散压力分布压力会出现右图的棋盘式分布交错网格的应用在交错网格上使用中心差分就不会出现速度和压力的棋盘式分布问题。交错网格交错网格的应用在(i-1,j),(i,j),(i+1,j),(i,j+1),(i,j-1)等图中的实心原点上计算压力交错网格交错网格的应用在(i-1/2,j),(i+1/2,j)等图中的空心原点上计算u交错网格在(i,j-1/2),(i,j+1/2)等图中的空心原点上计算v交错网格的应用连续性方程在网格点(i,j)的中心差分表达式为：交错网格6.7.3压力修正法的基本原理压力修正法的基本原理压力修正法本质上是一种迭代法，思路如下：1）迭代开始时，先给定压力的初始近似p*2）用p*的值从动量方程中求解u,v,w,得到与p*有关的u*,v*,w*压力修正法的基本原理压力修正法本质上是一种迭代法，思路如下：修正后的压力为3）将u*,v*,w*代入连续性方程，它们不一定满足连续性方程。用连续性方程构造压力的修正量,加到p*上，使速度场满足连续性方程。修正后的速度为速度修正量可以从得到。压力修正法的基本原理压力修正法本质上是一种迭代法，思路如下：4）用步骤3)中修正后的压力做为新的p*，回到步骤2)。重复这个过程，直到速度场满足连续性方程为止。这样就得到修正好了的流场。6.7.4压力修正公式压力修正公式压力修正公式为：压力修正公式压力修正公式为：上述压力修正公式具有椭圆型的性质，可以用松弛法数值求解。在不可压流场中，压力的扰动将会传遍整个流场，这与上述方程的椭圆型性质相吻合。压力修正公式压力修正公式为：压力修正公式是压力修正的泊松方程的中心差分表达式。上述泊松方程中的二阶偏导数用中心差分替代。tdQ/式中：压力修正公式压力修正的泊松方程(为椭圆型)：tdQ/d相当于一个质量源项。6.7.5数值方法：SIMPLE方法数值方法：SIMPLE方法SIMPLE是Semi-implicitmethodforpressure-linkedequation(压力耦合方程的半隐式算法)的缩写。数值方法：SIMPLE方法SIMPLE算法的步骤如下：1）在右图所示的交错网格上分别给出*,np*,nu*nv数值方法：SIMPLE方法SIMPLE算法的步骤如下：2）求出1*,nu1*nv采用动量方程求解。数值方法：SIMPLE方法2）的求法：1*nuX方向的动量方程：数值方法：SIMPLE方法2）的求法：1*nu在a点：在b点：数值方法：SIMPLE方法X方向的动量方程：差分方程：数值方法：SIMPLE方法差分方程：X方向的动量方程：数值方法：SIMPLE方法2）的求法：1*nu数值方法：SIMPLE方法2）的求法：1*nu数值方法：SIMPLE方法2）的求法：1*nvY方向的动量方程：数值方法：SIMPLE方法2）的求法：1*nv在c点：在d点：数值方法：SIMPLE方法Y方向的动量方程：差分方程：数值方法：SIMPLE方法2）的求法：1*nv数值方法：SIMPLE方法3）将和代入压力修正公式，在所有内部网格点上求解1*nu1*nv数值方法：SIMPLE方法SIMPLE算法的步骤如下：4）在所有内部网格点上计算1np数值方法：SIMPLE方法SIMPLE算法的步骤如下：5）将作为新的，重复步骤(2)至步骤(5)，直到收敛。收敛的合理标准是质量源项d趋于零。数值方法：SIMPLE方法对于某些应用，压力修正公式会发散，而不是收敛，此时，可采用低松弛：为低松弛因子，建议取为0.86.7.6压力修正法的边界条件压力修正法的边界条件对不可压粘性流动，如果给定下列边界条件，则物理问题是唯一确定的：压力修正法的边界