一种新的壁面距离计算方法——循环盒子法.pdfVIP

维普资讯 计 算 物 理 第25卷 第 4期 CHINESEJOURNALOFCOMPUTATIONALPHYSICS Vn1．25．No．4 2008年 7月 July，2008 [文章编号] 1001．246x(20o8J04．0427．04 一 种新的壁面距离计算方法——循环盒子法 赵慧勇， 贺旭照， 乐嘉陵 (中国空气动力研究与发展 中心 ，四川 绵阳 621000) [摘 要] 很多湍流模型都需要 内点到壁面的距离，当网格量特别大时，计算壁面距离不仅计算量很大，而且 费时．通过对当前壁面距离计算方法 的分析 ，提 出一种新 的计算方法——循环盒子方法 ．循环盒子法计算效率 高，通用性和健壮性较好 ，可以得到和直接法相 同的结果 ．通过对 7个二维和三维算例 的计算表明，循环盒子 法 的计算时间比直接法缩小一个量级 ．而且 ，对于同一个问题 ，随着网格 的加密 ，循环盒子法效率更高． [关键词] 湍流模型；壁面距离；循环盒子 [中图分类号] V211．3 [文献标识码] A O 引言 很多湍流模型都需要内点到壁面的距离 ，如 Chien的低 Re数 k一￡，SA，q一埘和k—cUSST．当网格量特 别大时，计算壁面距离不仅计算量很大 ，而且 比较 费时．Wigton 指 出，即使采用 CrayC90级别的巨型计算 机 ，对于大型三维静止网格 ，计算到壁面的距离也需要 3个小时 ．对于动网格 ，如飞机 的投弹等 问题 ，还需要 反复计算壁面距离 ． 为了减少计算量和块间通信 ，Tucker 指出一些软件采用的近似方法 ： ①沿网格线计算到壁面的距离 ，如 NSMB ．这种方法没有考虑 网格斜交于壁面的情况 ，而且对于拼接 网格和重叠网格 ，还需要插值处理 ，计算比较繁琐 ； ②计算每一个内点到最近的壁面网格点 的距离 ，而不是到最近 的壁面的距离 ．当壁面的网格 比较虚疏 时，得到的距离是不准确的； ③对于多块网格 ，只计算到本块的壁面点的最短距离 ，而没有考虑最近 的壁面 网格点可能在相邻的块 中．对于重叠网格 ，这种方法使得同一个网格点到壁面的距离依赖于它属于哪个块 ． Tuckel』重新定义了壁面距离的公式 ，他采用 Eikonal和 Hamilton—Jacobi方程计算壁面距离 ．但是这种方 法需要迭代隐式求解这两个方程 ，不仅需要另外 的编程来实现，而且如何保证对于各种复杂的工程问题也能 达到合理快速的收敛性尚不得知 ． 因此，比较合理 的方法还是 Tucker 指出的第②种方法 ．虽然这种方法当壁面 网格比较虚疏时，得到的 距离是不准确的．但是壁面网格虚疏的地方 ，流场变化一般比较缓慢 ，因此这种方法还是可以接受 的．也有一 些学者采用壁面的法向来克服这个问题 ，但是对于壁面存在奇性 的地方 ，壁面法 向的计算本身就是不准确 的 ． 第②种方法的一般计算过程是 ：对于内场的每一个网格点，比较它到所有壁面网格点的距离 ，选取其 中 最近的作为该网格点到壁面网格点的距离 ．以下为了叙述方便 ，本文称这种方法为直接方法 ．直接方法虽然 原理 比较简单 ，但是非常耗时． 本文提出一种快速有效求解壁面距离的方法 ．该方法具有 比较好 的健壮性和通用性 ，计算效率比直接方 法大大提高，内存增加较少 ，可以得到和直接法相同的结果 ．对 7个常见 问题计算壁面距离，初步计算表明， 与直接方法相比，计算时间比壁面网格点缩小一个量级．两者得到的壁面距离完全相同． [收稿 日期 】2007—02一l4；[修 回日期 】2007—07—06 [基金项 目】国家 863高技术研究发展计划 (2003AA723042)资助项 目 [作者简介】赵慧勇(1972一)，男，博士，从事超燃冲压发动机及计算方法方面的研究，四川省绵阳市 21I信箱计算空气动力学研究所超燃 组 621000．