基于浅水Lattice-Boltzmann方法的自适应网格技术及应用研究

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以水平运动为主的浅水流动现象在自然界中随处可见,通常采用浅水方程组对其进行数学描述。随着数值方法的发展,求解浅水方程被广泛应用于明渠水流、洪水演进以及水跃、涌波等问题的计算与预测。格子Boltzmann(LB)方法经过几十年的持续研究,已经成为流体力学中的一个重要方法。与传统数值方法不同的是,LB方法基于分子动理论,通过介观尺度利用统计学的观点来描述流体运动,既不考虑连续介质假设,具有宏观方法忽略分子运动细节的特点,也可用于大尺度长历时的演变过程。因此,LB方法可以胜任许多传统方法无法有效计算的领域。此外,LB方法还兼具程序易于实施、边界处理简单以及并行性强等诸多优势。基于LB方法的一系列优点,将其应用于求解浅水方程中对科学研究及工程实际均具有十分重要的意义。近年来,浅水格子Boltzmann数值模型(LB-SWE)也得到了长足的发展,然而,LB方法必须采用对称均匀的网格,这使其在计算浅水流动中受到了限制,非均匀LB方法通过对区域的固定加密虽然从一定程度上改善了这个问题,但对于复杂流场,需要局部加密的重点研究区域并不是静态的,大面积加密会极大影响整体计算效率。因此,如何兼顾计算精度及效率一直是倍受关注的问题。本文从非均匀LB方法出发,结合四叉树数据结构,研究其动态网格加密技术,考虑到自适应网格中数值传递的重要性,采取网格中心的计算格式,既利于网格的加密和稀疏,也能有效避免共存节点给不同层级网格带来复杂的数据交换,最终建立高精度高效率的自适应浅水格子Boltzmann模型(AMR-LB-SWE),为模拟实际水流问题提供技术保证。采用经典算例顶盖驱动流对数值方法进行了精度与效率分析,并与均匀网格的结果进行了对比。结果表明,基于LB方法的自适应网格加密技术可以很好地捕捉到重点研究区域,在保持精度的前提下,大幅减少了计算时间。同时,对比分析得到不同的网格加密层数、自适应判据及自适应频率对计算效率的提升幅度并不相同,因此需要根据不同问题选取合适的自适应参数。针对浅水流动,采用包括过丘恒定流、一维溃坝、二维局部溃坝以及三角堰溃坝等在内的多种典型浅水问题对AMR-LB-SWE模型进行了数值验证。模拟过程中动态显示了网格在捕捉重点研究区域的自适应过程,结果表明,本文的AMR-LBSWE数值模型具有较高的计算精度及效率,良好的间断捕捉能力和干湿边界处理能力,以及数值的和谐性和稳定性。最后,采用AMR-LB-SWE模型对实际地形进行了模拟,给出了网格动态过程以及数值模拟得到的流场特征。通过对真实河段的计算,发现自适应网格模型在处理长历时大规模浅水问题的应用中,依然能够保持AMR-LB-SWE模型的可靠稳定性,并且具有很好的复杂边界拟合能力。本文针对均匀格子Boltzmann方法模拟浅水流动灵活性不足、计算效率不高的问题,建立了自适应浅水格子Boltzmann模型(AMR-LB-SWE),该模型能够有效准确地模拟浅水问题,在保证计算精度的同时,减少计算开销,提升计算效率。为后续深入研究格子Boltzmann方法的自适应网格技术在长历时大规模浅水问题的实际应用提供了技术保证。
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