基于MacCormack算法的有限差分方法求解可压缩Navier-Stokes方程的编码实现及测试

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计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)通过数值求解NavierStokes(N-S)方程,广泛应用于流体力学的理论研究和应用中,而其求解器是进行数值模拟的核心部分。计算流体力学发展至今,已产生有限差分、有限单元和有限体积等数值方法,其中又包含各种各样的算法,有的算法可以支持不同的数值方法。不同的计算流体力学方法/算法具有各自优势和局限性,但没有一种具体的CFD方法/算法适用于所有的流动问题。Mac Cormack算法有计算量小、容易编程等特点,对一些流动问题可以给出正确或合理的结果,至今仍有人在使用和发展该算法。本文调研了Fluent、Phoenics、Open CFD-sc、Open FOAM、Athena等CFD商业软件或开源软件。就目前所知,CFD开源代码没有基于Mac Cormack算法的并行求解器,而商业软件不能获得其算法内容。因此,本文选择开发一个基于显式Mac Cormack方法,包含求解、前处理和后处理功能的求解器。本文的核心内容是用有限差分方法编写一套求解笛卡尔坐标系下可压缩NS方程的CFD代码,求解器基于Mac Cormack算法,并行部分采用主流的并行编程工具MPI,在Linux系统下进行编写和运行,编程语言为Fortran 90。本文采用新代码数值模拟了一维和三维非定常单介质可压缩流动问题的算例。该代码并进行了程序测试:在1283的网格点上计算了雷诺数Re=72,马赫数Ma=0.4的均匀各向同性湍流,将计算结果与通过Open CFD-sc使用StegerWarming矢通量分裂(Flux Vector Splitting)方法、配合5阶精度WENO差分格式和6阶精度中心差分格式相同条件下的计算结果做了对比,结果表明该求解器在计算均匀各向同性湍流时,耗散大于Open CFD-sc的高精度差分格式的计算结果,而计算效率相对高,并校验了求解器各模块的完成度。本研究对CFD代码的自主研发是开展流体力学新理论研究的重要基础。
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