面處理的特徵無反射邊界條件設定方法與系統的製作方法
2023-05-09 06:53:41 1
面處理的特徵無反射邊界條件設定方法與系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種面處理的特徵無反射邊界條件設定方法與系統，根據納維葉－斯託克斯對可壓縮流體進行數值模擬，獲取可壓縮流體控制方程，獲取X、Y和Z三個方向上的傳播特徵波方程，生成一維無粘特徵發射方程，並根據求解變量數據生成所述可壓縮流體特徵波形式的控制方程，計算壓縮流體進口/出口面求解變量時間推進方程，確定可壓縮流體中面邊界的條件。本發明面處理的特徵無反射邊界條件設定方法經過嚴格數學邏輯計算，避免直接採用Euler方程邊界條件給定的方法直接應用到Navier-Stokes方程，整個設定過程穩定、準確，且能夠很好處理可壓縮流體中聲波反射的問題，確保面處理的特徵無反射邊界條件設定的精準。
【專利說明】面處理的特徵無反射邊界條件設定方法與系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及可壓縮流動的邊界條件設定【技術領域】，特別是涉及面處理的特徵無反射邊界條件設定方法與系統。
【背景技術】
[0002]目前可壓縮流動直接數值數值模擬越來越受到研究者的重視。一方面隨著並行計算機硬體和軟體技術的發展，進行大規模流動和燃燒的直接數值模擬成為可能。另外研究者進行了化學反應的燃燒流動的數值模擬，以及可壓縮流動在航空航天方面研究深入發展，也進一步促進了可壓縮流動直接數值模擬技術的發展。
[0003]對於非穩態的可壓縮流動的直接數值模擬，需要非常仔細地控制邊界上的波反射。對於穩態的Navier-Stokes(納維葉一斯託克斯)的直接數值模擬,波反射顯得不是很重要。因為在穩態的數值模擬中，需要得到的只是一個穩態的結果，這種波的反射會採取一定的方法消除掉，不需要關心這種波反射對邊界的影響。在非穩態的數值模擬中，非耗散的高階數值格式會產生長距離、長時間的數值波。這些數值波會對數值求解的過程產生影響，尤其是對數值收斂性有較大的影響。在實際的流動模擬中也發現，即使物理的波反射不是很明顯，不能夠從下遊傳遞到上遊，數值波的反射有可能從邊界傳遞到入口或者計算的整個區域。Vichnevertsk和Bowles採用一維對流方程研究發現,計算區域的入口和出口的邊界有非常強的數值波的耦合，會導致非物理的震蕩，同時他們對二維不可壓縮，二維可壓縮方程模擬中也發現了上述類似的現象。三維可壓縮Navier-Stokes方程邊界條件處理困難的關鍵原因是完整的特徵無反射邊界條件數學理論的缺乏。完全可靠並且適定的邊界條件只對Euler(歐拉)方程適用，但是對於Navier-Stokes會變得非常複雜。對於Navier-Stokes方程，給定特定的邊界條件從而得到比較好的模擬結果，也只適用於那些非常簡單的模擬情況。
[0004]對於Navier-Stokes方程的特徵邊界條件的給定，主要的問題是Navier-Stokes不是雙曲型方程，因此不能簡單利用Euler方程邊界條件給定的方法直接應用到Navier-Stokes方程，若直接採用Euler方程邊界條件給定的方法直接應用到Navier-Stokes方程，得到的特徵無反射邊界條件設定結果必然存在比較大的誤差。
【發明內容】
[0005]基於此，有必要針對一般面處理的特徵無反射邊界條件設定方法存在比較大的誤差的問題，提供一種準確的面處理的特徵無反射邊界條件設定方法與系統。
[0006]一種面處理的特徵無反射邊界條件設定方法，包括步驟:
[0007]根據納維葉一斯託克斯方程，對可壓縮流體進行數值模擬，獲取可壓縮流體控制方程，其中，所述可壓縮流體控制方程包括連續方程、動量方程、溫度方程、整理方程和狀態方程；
[0008]根據所述可壓縮流體控制方程，獲取可壓縮流體在三維空間坐標軸X、Y和Z三個方向上的傳播特徵波方程；
[0009]根據所述可壓縮流體在三維空間坐標軸X、Y和Z三個方向上的傳播特徵波方程，忽略橫向項、可壓縮流體的粘性以及源項，通過數學運算，生成一維無粘特徵發射方程，所述一維無粘特徵發射方程用於獲取所述可壓縮流體從計算區域外部進入計算區域的特徵波的關係；
[0010]獲取所述可壓縮流體的求解變量數據，根據所述一維無粘特徵發射方程，生成所述可壓縮流體特徵波形式的控制方程，計算所述橫向項、所述可壓縮流體的粘性以及所述源項，並將計算結果與所述所述可壓縮流體特徵波形式的控制方程整合，生成可壓縮流體進口面求解變量時間推進方程；
[0011]根據所述可壓縮流體特徵波形式的控制方程，獲得可壓縮流體出口面中求解變量的時間導數方程，根據所述可壓縮流體出口面中求解變量的時間導數方程，生成可壓縮流體出口面求解變量的時間推進方程；
[0012]根據所述壓縮流體進口面求解變量時間推進方程和所述出口面求解變量時間推進方程，確定可壓縮流體中面邊界的條件。
[0013]一種面處理的特徵無反射邊界條件設定系統，包括:
[0014]控制方程獲取模塊，用於根據納維葉一斯託克斯方程，對可壓縮流體進行數值模擬，獲取可壓縮流體控制方程，其中，所述可壓縮流體控制方程包括連續方程、動量方程、溫度方程、整理方程和狀態方程；
[0015]特徵波方程獲取模塊，用於根據所述可壓縮流體控制方程，獲取可壓縮流體在三維空間坐標軸X、Y和Z三個方向上的傳播特徵波方程；
[0016]一維無粘特徵發射方程生成模塊，用於根據所述可壓縮流體在三維空間坐標軸X、Y和Z三個方向上的傳播特徵波方程，忽略橫向項、可壓縮流體的粘性以及源項，通過數學運算，生成一維無粘特徵發射方程，所述一維無粘特徵發射方程用於獲取所述可壓縮流體從計算區域外部進入計算區域的特徵波的關係；
[0017]進口面求解變量時間推進方程生成模塊，用於獲取所述可壓縮流體的求解變量數據，根據所述一維無粘特徵發射方程，生成所述可壓縮流體特徵波形式的控制方程，計算所述橫向項、所述可壓縮流體的粘性以及所述源項，並將計算結果與所述所述可壓縮流體特徵波形式的控制方程整合，生成可壓縮流體進口面求解變量時間推進方程；
[0018]出口面求解變量的時間推進方程生成模塊，用於根據所述可壓縮流體特徵波形式的控制方程，獲得可壓縮流體出口面中求解變量的時間導數方程，根據所述可壓縮流體出口面中求解變量的時間導數方程，生成可壓縮流體出口面求解變量的時間推進方程；
[0019]邊界條件確定模塊，用於根據所述壓縮流體進口面求解變量時間推進方程和所述出口面求解變量時間推進方程，確定可壓縮流體中面邊界的條件。
[0020]本發明面處理的特徵無反射邊界條件設定方法與系統，首先根據納維葉一斯託克斯對可壓縮流體進行數值模擬，獲取可壓縮流體控制方程，之後獲取x、Y和Z三個方向上的傳播特徵波方程，生成一維無粘特徵發射方程，並根據一維無粘特徵發射方程和求解變量數據生成所述可壓縮流體特徵波形式的控制方程，分別計算壓縮流體進口 /出口面求解變量時間推進方程，確定可壓縮流體中面邊界的條件。本發明面處理的特徵無反射邊界條件設定方法經過嚴格數學邏輯計算，避免直接採用Euler方程邊界條件給定的方法直接應用到Navier-Stokes方程，整個設定過程穩定、準確，且能夠很好處理可壓縮流體中聲波反射的問題，更進一步確保面處理的特徵無反射邊界條件設定結果的精準。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明面處理的特徵無反射邊界條件設定方法第一個實施例的流程示意圖；
[0022]圖2為本發明面處理的特徵無反射邊界條件設定方法第二個實施例的流程示意圖；
[0023]圖3為本發明面處理的特徵無反射邊界條件設定系統第一個實施例的結構示意圖；
[0024]圖4為本發明面處理的特徵無反射邊界條件設定系統第二個實施例的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下根據附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施僅僅用以解釋本發明，並不限定本發明。
[0026]如圖1所示，一種面處理的特徵無反射邊界條件設定方法，包括步驟:
[0027]SlOO:根據納維葉一斯託克斯方程，對可壓縮流體進行數值模擬，獲取可壓縮流體控制方程，其中，所述可壓縮流體控制方程包括連續方程、動量方程、溫度方程、整理方程和狀態方程；
[0028]S200:根據所述可壓縮流體控制方程，獲取可壓縮流體在三維空間坐標軸X、Y和Z三個方向上的傳播特徵波方程；
[0029]S300:根據所述可壓縮流體在三維空間坐標軸X、Y和Z三個方向上的傳播特徵波方程，忽略橫向項、可壓縮流體的粘性以及源項，通過數學運算，生成一維無粘特徵發射方程，所述一維無粘特徵發射方程用於獲取所述可壓縮流體從計算區域外部進入計算區域的特徵波的關係；
[0030]S400:獲取所述可壓縮流體的求解變量數據，根據所述一維無粘特徵發射方程，生成所述可壓縮流體特徵波形式的控制方程，計算所述橫向項、所述可壓縮流體的粘性以及所述源項，並將計算結果與所述所述可壓縮流體特徵波形式的控制方程整合，生成可壓縮流體進口面求解變量時間推進方程；
[0031]S500:根據所述可壓縮流體特徵波形式的控制方程，獲得可壓縮流體出口面中求解變量的時間導數方程，根據所述可壓縮流體出口面中求解變量的時間導數方程，生成可壓縮流體出口面求解變量的時間推進方程；
[0032]S600:根據所述壓縮流體進口面求解變量時間推進方程和所述出口面求解變量時間推進方程，確定可壓縮流體中面邊界的條件。
[0033]本發明面處理的特徵無反射邊界條件設定方法，首先根據納維葉一斯託克斯對可壓縮流體進行數值模擬，獲取可壓縮流體控制方程，之後獲取X、Y和Z三個方向上的傳播特徵波方程，生成一維無粘特徵發射方程，並根據一維無粘特徵發射方程和求解變量數據生成所述可壓縮流體特徵波形式的控制方程，分別計算壓縮流體進口 /出口面求解變量時間推進方程，確定可壓縮流體中面邊界的條件。本發明面處理的特徵無反射邊界條件設定方法經過嚴格數學邏輯計算，避免直接採用Euler方程邊界條件給定的方法直接應用到Navier-Stokes方程,整個設定過程穩定、準確，且能夠很好處理可壓縮流體中聲波反射的問題，更進一步確保面處理的特徵無反射邊界條件設定結果的精準。
[0034]為了進一步詳細解釋本發明面處理的特徵無反射邊界條件設定方法的技術方案，下面將採用一具體實施例詳細說明。為了便於理解，在本是實施例中將採用數學方程體現上述方法中的各個方程對數據進行處理過程，以體現數學計算過程的嚴謹與準確。
[0035]本發明面處理的特徵無反射邊界條件設定方法的可壓縮的控制方程如下:
[0036]連續方程:
【權利要求】
1.一種面處理的特徵無反射邊界條件設定方法，其特徵在於，包括步驟: 根據納維葉一斯託克斯方程，對可壓縮流體進行數值模擬，獲取可壓縮流體控制方程，其中，所述可壓縮流體控制方程包括連續方程、動量方程、溫度方程、整理方程和狀態方程; 根據所述可壓縮流體控制方程，獲取可壓縮流體在三維空間坐標軸X、Y和Z三個方向上的傳播特徵波方程； 根據所述可壓縮流體在三維空間坐標軸X、Y和Z三個方向上的傳播特徵波方程，忽略橫向項、可壓縮流體的粘性以及源項，通過數學運算，生成一維無粘特徵發射方程，所述一維無粘特徵發射方程用於獲取所述可壓縮流體從計算區域外部進入計算區域的特徵波的關係; 獲取所述可壓縮流體的求解變量數據，根據所述一維無粘特徵發射方程，生成所述可壓縮流體特徵波形式的控制方程，計算所述橫向項、所述可壓縮流體的粘性以及所述源項，並將計算結果與所述所述可壓縮流體特徵波形式的控制方程整合，生成可壓縮流體進口面求解變量時間推進方程； 根據所述可壓縮流體特徵波形式的控制方程，獲得可壓縮流體出口面中求解變量的時間導數方程，根據所述可壓縮流體出口面中求解變量的時間導數方程，生成可壓縮流體出口面求解變量的時間推進方程； 根據所述壓縮流體進口面求解變量時間推進方程和所述出口面求解變量時間推進方程，確定可壓縮流體中面邊 界的條件。
2.根據權利要求1所述的面處理的特徵無反射邊界條件設定方法，其特徵在於，所述可壓縮流體特徵波形式的控制方程具體如下: dp I1--1— η— if Li + Lt) + "VI = O a c2 P 2 ^ ^ J 1 L1, L2, L5為特徵波的振幅，c是聲速，Vl是所述橫向項，P為所述可壓縮流體的密度，t為時間。
3.根據權利要求1或2所述的面處理的特徵無反射邊界條件設定方法，其特徵在於，所述根據所述壓縮流體進口面求解變量時間推進方程和所述出口面求解變量時間推進方程，確定可壓縮流體中面邊界的條件具體包括步驟: 根據所述壓縮流體進口面求解變量時間推進方程和所述出口面求解變量時間推進方程，選取相應的時間推進格式； 採用所述時間推進格式，獲得下一個時間上所述壓縮流體進口面和出口面的求解變量的更新值； 根據下一個時間上所述壓縮流體進口面和出口面的求解變量的更新值，確定可壓縮流體中面邊界的條件。
4.根據權利要求1或2所述的面處理的特徵無反射邊界條件設定方法，其特徵在於，所述根據所述壓縮流體進口面求解變量時間推進方程和所述出口面求解變量時間推進方程，確定可壓縮流體中面邊界的條件之後還有步驟: 對確定可壓縮流體中面邊界的條件進行驗證。
5.根據權利要求1或2所述的面處理的特徵無反射邊界條件設定方法，其特徵在於，面求解變量包括可壓縮流體的速度、密度和溫度。
6.一種面處理的特徵無反射邊界條件設定系統，其特徵在於，包括： 控制方程獲取模塊，用於根據納維葉一斯託克斯方程，對可壓縮流體進行數值模擬，獲取可壓縮流體控制方程，其中，所述可壓縮流體控制方程包括連續方程、動量方程、溫度方程、整理方程和狀態方程； 特徵波方程獲取模塊，用於根據所述可壓縮流體控制方程，獲取可壓縮流體在三維空間坐標軸X、Y和Z三個方向上的傳播特徵波方程； 一維無粘特徵發射方程生成模塊，用於根據所述可壓縮流體在三維空間坐標軸X、Y和Z三個方向上的傳播特徵波方程，忽略橫向項、可壓縮流體的粘性以及源項，通過數學運算，生成一維無粘特徵發射方程，所述一維無粘特徵發射方程用於獲取所述可壓縮流體從計算區域外部進入計算區域的特徵波的關係； 進口面求解變量時間推進方程生成模塊，用於獲取所述可壓縮流體的求解變量數據，根據所述一維無粘特徵發射方程，生成所述可壓縮流體特徵波形式的控制方程，計算所述橫向項、所述可壓縮流體的粘性以及所述源項，並將計算結果與所述所述可壓縮流體特徵波形式的控制方程整合，生成可壓縮流體進口面求解變量時間推進方程； 出口面求解變量的時間推進方程生成模塊，用於根據所述可壓縮流體特徵波形式的控制方程，獲得可壓縮流體出口面中求解變量的時間導數方程，根據所述可壓縮流體出口面中求解變量的時間導數方程，生成可壓縮流體出口面求解變量的時間推進方程； 邊界條件確定模塊，用於根據所述壓縮流體進口面求解變量時間推進方程和所述出口面求解變量時間推進方程，確定可壓縮流體中面邊界的條件。
7.根據權利要求6所述的面處理的特徵無反射邊界條件設定系統，其特徵在於，所述可壓縮流體特徵波形式的控制方程具體如下：
8.根據權利要求6或7所述的面處理的特徵無反射邊界條件設定系統，其特徵在於，所述邊界條件確定模塊具體包括： 時間推進格式選定單元，用於根據所述壓縮流體進口面求解變量時間推進方程和所述出口面求解變量時間推進方程，選取相應的時間推進格式； 更新值獲取單元，用於採用所述時間推進格式，獲得下一個時間上所述壓縮流體進口面和出口面的求解變量的更新值； 確定單元，用於根據下一個時間上所述壓縮流體進口面和出口面的求解變量的更新值，確定可壓縮流體中面邊界的條件。
9.根據權利要求6或7所述的面處理的特徵無反射邊界條件設定系統，其特徵在於，還包括： 驗證模塊，用於對確定可壓縮流體中面邊界的條件進行驗證。
10.根據權利要求6或7所述的面處理的特徵無反射邊界條件設定系統，其特徵在於，面求解變量包括可壓縮流體的速度、密度和溫度。
【文檔編號】G06F19/00GK103544374SQ201310432721
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年9月22日 優先權日:2013年9月22日
【發明者】李德波 申請人:廣東電網公司電力科學研究院