【摘 要】
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在流体力学中,不可压缩流动问题占有很大比重,对这些问题进行研究具有重要意义。在计算流体力学中,已发展出众多针对不可压缩流动的数值算法,各有利弊。本文在对国内外的相关研究情况进行梳理后,将虚拟压缩法和矢通量分裂法结合起来组成新方法虚拟压缩—矢通量分裂法,用虚拟压缩法解决不可压流动中压力和速度的耦合问题,用矢通量分裂法处理对流项。将新方法用于不可压缩流动的数值计算,验证了方法的可行性。首先详细推导了虚
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在流体力学中,不可压缩流动问题占有很大比重,对这些问题进行研究具有重要意义。在计算流体力学中,已发展出众多针对不可压缩流动的数值算法,各有利弊。本文在对国内外的相关研究情况进行梳理后,将虚拟压缩法和矢通量分裂法结合起来组成新方法虚拟压缩—矢通量分裂法,用虚拟压缩法解决不可压流动中压力和速度的耦合问题,用矢通量分裂法处理对流项。将新方法用于不可压缩流动的数值计算,验证了方法的可行性。首先详细推导了虚拟压缩—矢通量分裂法在二维广义坐标系、三维广义坐标系下的理论公式。介绍了虚拟压缩法和Steger-Warming矢通量分裂法的详细内容;在不可压流动的纳维—斯托克斯方程基础上,引进虚拟压缩法用于解决不可压流动中压力和速度的耦合问题,对流项使用矢通量分裂法,粘性项使用中心差分,形成虚拟压缩—矢通量分裂法的理论基础。接着依据虚拟压缩—矢通量分裂法的理论公式设计开发了计算不可压流动的CFD程序。对程序中的几大部分进行了介绍,涉及计算网格生成、对流项离散、粘性项离散和时间推进。在程序中,运用矩阵组织数据,把流场网格点上的流动参数放入矩阵中进行计算,这样极大节省了计算时间,边界条件的设置也极为方便。最后,使用程序对不可压缩流动中的三个经典算例进行数值计算,验证本文方法的可行性与程序的正确性。在算例二维驱动方腔中,划分疏密四套网格进行计算,结果显示加密网格计算精度更高;设置不同时间步长进行计算,在都收敛的情况下,计算结果没有差异,显示出该方法对时间步长不敏感;对流项采用不同差分模板,结果是随着差分模板中模板点增加计算精度逐渐提高;改变虚拟压缩系数值进行计算,结果是计算精度随着该值增大而提高;计算了方腔在不同雷诺数下的流动情况,与已知文献结果值吻合较好。在算例平板层流边界层中,探究了网格划分方式对计算结果的影响;将平板多个截面的计算结果与标准值比较,计算结果符合要求;同时也发现该方法的收敛速度略慢。在算例二维泊肃叶流动中,将本文程序计算结果与解析解比较,精度令人满意。通过三个算例,证明了本文方法的可行性,该方法能够对不可压缩流动进行有效的计算。
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