第五章网格生成与坐标变换.pptVIP

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计算流体动力学 Computational fluid mechanics 机械与动力工程学院 凌祥 第五章 网格生成与坐标变换 方程的一般变换 度量和雅可比行列式 再论适合CFD使用的控制方程 注释 拉伸(压缩)网格 贴体坐标系:椭圆型网格生成 自适应网格 网格生成的进展 有限体积网格生成的进展 贴体坐标系:椭圆型网格生成 图5-8画出了计算平面,再次强调沿着所有四条边界线Γ1,Γ2,Γ3和Γ4,(x, y)的值都已知,这是求解椭圆偏微分方程适定问题的基础. 图5-8计算平面(标出了边界条件并画出了一个内点) 贴体坐标系:椭圆型网格生成 流动控制方程中的度量可以用有限差分计算,在(不论是物理平面还是计算平面)标记为(i, j)的网格点处,可以写出度量计算公式为 这样计算出来的度量值将被代入到变换后的流动控制方程中. 贴体坐标系:椭圆型网格生成 实用的绕机翼型网格见图5-9,它就是用上述椭圆型网格生成的. 图5-9 围绕M i l e y翼型的网格 贴体坐标系:椭圆型网格生成 图5-10给出了翼型附近网格的细节. 图5-10 图5-9中贴体网格的一小部分,显示了翼型附近网格分布的细节 自适应网格 应该将大量的,密集的网格点分布在流场变量存在大的梯度的那部分流动区域内,从而改进CFD计算的数值精度. 这样做不仅是因为密网格能够减小截断误差,更是因为要捕捉流动特性,梯度大的地方就需要更多的网格点. 图5-11给出的流过平板的粘性流,可用来定性地说明这个问题. 自适应网格 图5-11 在边界层内需要集中大量的网格点 自适应网格 自适应网格是能够自动向流场中大梯度区域聚集的网格,它利用求解的流场特征确定网格点在物理平面中的位置. 自适应网格的优点是: 当网格数量固定时,可以提高计算精度 给定精度时,可以减少的网格点来达到这一精度. 自适应网格 自适应网格的一个简单的例子是C o r d a求解绕后台阶的粘性超声流时所用的网格,其中的坐标变换为 (5-71) (5-72) 式中,g是流场中的原始变量,如p, 或 T. 自适应网格 图5-12自适应网格原理示意图 自适应网格 (图5-12a)在物理平面中,t时刻N和N+1点的位置用黑色的圆点表示,两点之间的x方向距离 ,其中上标t时刻.t时刻N点的x坐标 ,依赖于1,2点之间的 ,2,3点之间的 ,也就是说 (5-73) t+ Δ t时刻N和N+1点的新位置在图(5-12a)中用十字形记号标出,图中同时还标出了Δ x的新值 . t+ Δ t时刻N点的x坐标为 (5-74) 自适应网格 自适应网格 可以用N点和N+1点的x坐标的相应改变量除以时间增量Δ t来表示时间度量, 即 (5-75a) 式中, 和 分别由(5-74)和式(5-73)给出. (5-75b) 自适应网格 其中, 和 由类似式(5-73)和式(5-74)的表达式给出,即 自适应网格 回到一般的逆变换式(5-18a~c).先考察式(5-18a),即 (5-18a) 写出全微分,有 (5-76) 方程中x的变化量d x由ξ, η和τ的变化量d ξ, d η和d τ表示. 如果这些变换是关于时间的,保持x和y不变,方程(5-76)可以写成 自适应网格 (5-77) 在方程(5-77中),由于x始终保持不变,所以 恒等于零 不失一般性地,设式(5-18c)中的t=t (τ)的形式给出,则在式(5-77)中 代入这些值,式(5-77)变为 自适应网格 (5-78) 自适应网格 现在考虑方程(5-18b),即 (5-18b) 于是 (5-79) 从这个结果可有 (5-80) 或 (5-81) 自适应网格 式(5-78)和式(5-81)中都有度量 和 .将两式联立,用克莱姆法则从中解出 . (5-82) 自适应网格 注意τ=t,并且分母就是雅可比行列式J,式(5-82)边为(省略下标) (5-83) 用同样的方法,从式(5-78)和式(5-81)中解出 ,得 (5-84) 自适应网格 出现在(5-83)和式(5-84)以及雅可比行列式J中的空间度量 , , 和 ,则可以用中心差分来代替.例如

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