一种自适应浸入边界法数值模型及其粘性绕流数值模拟研究

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随着CFD(Computational Fluid Dynamics)技术的不断发展,从微观上研究红细胞的运动,到宏观上模拟地震引起海啸对港岸的影响,其在科学研究与工程领域的应用越来越广泛。然而,由于随着所研究问题复杂度的不断增加以及对研究精度要求的不断提高,对于很多微观高精度或宏观大尺度模型问题的研究容易受到计算机资源的限制。因此,研究者们努力寻求在一定计算精度下消耗更少计算资源的方法,在这种背景下自适应算法应运而生。本文建立了一种有效的自适应浸入边界法数值模型。该模型的建立是将基于浸入边界法的数值模型采用自适应算法进行优化而实现。首先,笔者为了验证含浸入边界的非自适应数值模型的可靠性,结合VOF(Volume of Fluid)和二相流方法,模拟了含障碍物的溃坝过程。通过与他人数值模拟和试验结果进行对比,证明了该数值模型的有效性。本文自适应算法采用分层嵌套形式,各加密层网格有相对独立的时间推进过程。在推进初始时刻从底层粗网格获得初始条件和边界条件,在推进终止时刻将更高精度的解反馈至底层,并对粗细网格交界面上的解进行修正以保证交界面上通量守恒。误差估计采用基于Richardson外推的局部截断误差估计算子,将流场速度作为误差估计的关键变量。采用含记忆因子的标记算法对误差过大的网格进行标记,有效地避免了重复标记,减少了加密网格的重叠。加密网格分块采用k-means算法生成预分块,然后对分块进行分割和合并优化。通过试验对比优化前后的分块效果,证明了该加密网格生成方法的有效性。其中,分割优化主要是使加密块的质量得到保证,合并优化则是在保证一定加密质量的情况下尽量减少加密块数量,使加密网格分块达到质量和效率的整体较优点。通过对圆柱震荡绕流和翼型绕流这两个经典算例进行数值模拟,并将模拟结果与单层网格模型结果和文献模拟结果进行对比,验证了本文所建立的自适应浸入边界法数值模型的可行性和高效性。分别在不同自适应最大加密层数、临界截断误差和分块饱和率下进行了模拟,分析了这些参数对自适应加密效果的影响。分别将自适应模拟的流场运动和流场力与单层模型模拟结果进行了对比分析,证明了自适应模型的模拟精度能满足要求,并通过自适应模型与对应分辨率下的单层网格模型计算网格数和计算时间进行对比,证实了自适应模型能在一定精度下提高计算的效率,体现出该模型在科学研究和工程应用中的巨大潜力。
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