【摘 要】
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非定常流场的数值模拟是流体力学计算的热点之一。在计算过程中,边界和计算区域随时间发生变化,流体网格需不断调整以覆盖不断改变的计算区域。现在高精度的数值模拟往往需要
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非定常流场的数值模拟是流体力学计算的热点之一。在计算过程中,边界和计算区域随时间发生变化,流体网格需不断调整以覆盖不断改变的计算区域。现在高精度的数值模拟往往需要千万甚至上亿个单元,重新生成网格代价很大,所以高效、高质量的动态网格变形技术成为求解此类问题的重要策略。
已有的网格变形方法各有优点和局限性。弹簧法变形能力较强,但需要在每个时间步迭代求解方程组,计算量大:代数型方法无需解方程、计算效率高,但是变形效果不太好,如近年很受关注的背景网格法大变形后容易出现特定区域单元“挤压”的现象;距离函数法缺乏严密的理论基础,计算出的节点位移量过渡不光滑,容易出现非法单元。
本文将近年来广泛应用于计算机图形学的均值重心坐标应用到动网格生成中来,发展了一种新的代数型网格变形方法。基本思路是计算每个内部网格点在初始计算区域内的均值重心坐标,将之作为对应的边界点的权重,通过对边界点的位移插值得到内部节点的位移。均值重心坐标来源于严格的理论推导,有明确的几何意义,具有连续性和鲁棒性,故基于该坐标的网格变形法不易出现非法单元。本文首先介绍了基于均值重心坐标插值的网格变形方法的具体实现步骤;通过算例分析,进一步提出虚拟边界、过渡边界、调整内外边界权重等方案提高了该方法的变形能力、改善了变形效果。在与弹簧法和背景网格法的对比中发现,该法的变形能力比两者都要强;计算效率介于两者之间。本文还实现了一种基于GPU的并行计算方案,计算结果表明变形算法的效率获得明显提升。
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