耦合邊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 06:46:46 1
耦合邊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】本發明提供一種耦合邊處理的特徵無反射邊界條件設定方法與系統，定義在計算區域網格節點區域，生成網格節點區域各耦合邊的特徵波形式的控制方程，生成耦合邊上可壓縮流體的壓力和速度時間導數的方程，代入可壓縮流體的密度和耦合邊的特徵波參數，生成耦合邊求解變量時間推進方程，根據耦合邊求解變量時間推進方程，確定可壓縮流體中耦合邊邊界條件。整個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，確保耦合邊處理的特徵無反射邊界條件設定結果的精準。
【專利說明】耦合邊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體的邊界條件設定【技術領域】，特別是涉及耦合邊處理的特徵無反射邊界條件設定方法與系統。
【背景技術】
[0002]正確的處理可壓縮流動的邊界條件是得到數值模擬結果非常關鍵的一步。因為在直接數值模擬中，不可能模擬一個無限大的計算區域，由於計算資源的限制，會人為的將直接數值模擬的計算區域限制在一個非常有限的區域內，這樣就必須在有限的計算區域內給定特定的邊界條件。
[0003]三維可壓縮Navier-Stokes (納維葉一斯託克斯)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。許多學者通過理論研究發現，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。有學者認為對於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。對於Navier-Stokes方程的特徵邊界條件的給定，目前學術界還存在很大的爭議。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。
[0004]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,得到的耦合邊處理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，有必要針對一般耦合邊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，提供一種準確的耦合邊處理的特徵無反射邊界條件設定方法與系統。
[0006]一種耦合邊處理的特徵無反射邊界條件設定方法，包括步驟:
[0007]定義計算區域中網格節點區域為(I, Xmax)* (I, Ymax)* (I, Zmax ),其中Xmax、Ymax和Zmax分別是所述預設計算區域三維空間坐標軸X、Y和Z方向最大的網格點數；
[0008]生成計算區域中網格節點區域X、Y和Z三個方向傳播的特徵波形式方程，並分別計算X方向和Y方向、X方向和Z方向以及Y方向和Z方向的控制方程分量部分，整理成特徵波形式的控制方程。
[0009]利用所述整理成特徵波形式的控制方程，通過數學運算，轉換生成在所述網格節點區域各耦合邊上可壓縮流體的壓力和速度時間導數的方程；
[0010]獲取所述可壓縮流體的密度數據以及所述網格節點區域各耦合邊的特徵波參數；
[0011]根據所述所述可壓縮流體的密度數據、所述網格節點區域各耦合邊的特徵波參數以及在所述網格節點區域各耦合邊上可壓縮流體的壓力和速度時間導數的方程，獲得耦合邊求解變量時間推進方程；
[0012]根據所述耦合邊求解變量時間推進方程，確定可壓縮流體中耦合邊邊界條件。[0013]一種耦合邊處理的特徵無反射邊界條件設定系統，包括:
[0014]定義模塊,用於定義計算區域中網格節點區域為(I,Xmax)* (I,Ymax)* (I,Zmax),其中Xmax、Ymax和Zmax分別是所述預設計算區域三維空間坐標軸X、Y和Z方向最大的網格點數；
[0015]特徵波形式的方程生成模塊，用於生成計算區域中網格節點區域X、Y和Z三個方向傳播的特徵波形式方程，並分別計算X方向和Y方向、X方向和Z方向以及Y方向和Z方向的控制方程分量部分，整理成特徵波形式的控制方程。
[0016]方程轉換模塊，用於利用所述整理成特徵波形式的控制方程，通過數學運算，轉換生成在所述網格節點區域各耦合邊上可壓縮流體的壓力和速度時間導數的方程；
[0017]獲取模塊，用於獲取所述可壓縮流體的密度數據以及所述網格節點區域各耦合邊的特徵波參數；
[0018]求解變量時間推進方程生成模塊，用於根據所述所述可壓縮流體的密度數據、所述網格節點區域各耦合邊的特徵波參數以及在所述網格節點區域各耦合邊上可壓縮流體的壓力和速度時間導數的方程，獲得耦合邊求解變量時間推進方程；
[0019]確定模塊，用於根據所述耦合邊求解變量時間推進方程，確定可壓縮流體中耦合邊邊界條件。
[0020]本發明耦合邊處理的特徵無反射邊界條件設定方法與系統，首先定義在計算區域網格節點區域，之後生成網格節點區域各耦合邊的特徵波形式的控制方程，再利用這個方程轉換生成耦合邊上可壓縮流體的壓力和速度時間導數的方程，再在這個可壓縮流體的壓力和速度時間導數的方程代入可壓縮流體的密度和耦合邊的特徵波參數，最後生成耦合邊求解變量時間推進方程，根據耦合邊求解變量時間推進方程，確定可壓縮流體中耦合邊邊界條件。本發明耦合邊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，更進一步確保耦合邊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為本發明耦合邊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為三維計算區域耦合邊特徵無反射處理示意圖；
[0023]圖3為本發明耦合邊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；
[0024]圖4為本發明耦合邊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；
[0025]圖5為本發明耦合邊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】
[0026]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。
[0027]本發明耦合邊處理的特徵無反射邊界條件設定方法與系統採用的是完全可壓縮的Navier-Stokes方程，沒有採用其它比如低Ma數近似，進行聲學抑制的方法，是真正意義上的完全可壓縮流動的直接數值模擬。本發明耦合邊處理的特徵無反射邊界條件設定方法與系統採用的可壓縮的控制方程如下:
[0028]連續方程:
【權利要求】
1.一種耦合邊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: 定義計算區域中網格節點區域為(I，Xmax) * (I, Ymax)* (I, Zmax),其中Xmax、Ymax和Zmax分別是所述預設計算區域三維空間坐標軸X、Y和Z方向最大的網格點數； 生成計算區域中網格節點區域X、Y和Z三個方向傳播的特徵波形式方程，並分別計算X方向和Y方向、X方向和Z方向以及Y方向和Z方向的控制方程分量部分，整理成特徵波形式的控制方程。 利用所述整理成特徵波形式的控制方程，通過數學運算，轉換生成在所述網格節點區域各耦合邊上可壓縮流體的壓力和速度時間導數的方程； 獲取所述可壓縮流體的密度數據以及所述網格節點區域各耦合邊的特徵波參數； 根據所述所述可壓縮流體的密度數據、所述網格節點區域各耦合邊的特徵波參數以及在所述網格節點區域各耦合邊上可壓縮流體的壓力和速度時間導數的方程，獲得耦合邊求解變量時間推進方程； 根據所述耦合邊求解變量時間推進方程，確定可壓縮流體中耦合邊邊界條件。
2.根據權利要求1所述的耦合邊處理的特徵無反射邊界條件設定方法，其特徵在於，所述步驟定義計算區域中網格節點區域為(I，Xmax) * (I, Ymax) * (I, Zmax)之前還有步驟: 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。
3.根據權利要求1或2所述的耦合邊處理的特徵無反射邊界條件設定方法，其特徵在於，所述根據所述耦合邊求解變量時間推進`方程，確定可壓縮流體中耦合邊邊界條件具體包括步驟: 根據所述耦合邊求解變量時間推進方程，選取與所述耦合邊求解變量時間推進方程相應的時間推進格式； 採用所述時間推進格式，獲得下一個時間耦合邊上求解變量的更新值； 根據所述下一個時間耦合邊上求解變量的更新值，確定可壓縮流體中耦合邊邊界條件。
4.根據權利要求1或2所述的耦合邊處理的特徵無反射邊界條件設定方法，其特徵在於，所述根據所述耦合邊求解變量時間推進方程，確定可壓縮流體中耦合邊邊界條件之後還有步驟: 對確定的可壓縮流體中耦合邊邊界條件進行驗證。
5.根據權利要求1或2所述的耦合邊處理的特徵無反射邊界條件設定方法，其特徵在於，所述耦合邊求解變量包括可壓縮流體的速度、密度和溫度。
6.一種耦合邊處理的特徵無反射邊界條件設定系統，其特徵在於，包括: 定義模塊，用於定義計算區域中網格節點區域為(I，Xmax) * (I, Ymax)* (I, Zmax),其中Xmax、Ymax和Zmax分別是所述預設計算區域三維空間坐標軸X、Y和Z方向最大的網格點數； 特徵波形式的方程生成模塊，用於生成計算區域中網格節點區域X、Y和Z三個方向傳播的特徵波形式方程，並分別計算X方向和Y方向、X方向和Z方向以及Y方向和Z方向的控制方程分量部分，整理成特徵波形式的控制方程。方程轉換模塊，用於利用所述整理成特徵波形式的控制方程，通過數學運算，轉換生成在所述網格節點區域各耦合邊上可壓縮流體的壓力和速度時間導數的方程； 獲取模塊，用於獲取所述可壓縮流體的密度數據以及所述網格節點區域各耦合邊的特徵波參數； 求解變量時間推進方程生成模塊，用於根據所述所述可壓縮流體的密度數據、所述網格節點區域各耦合邊的特徵波參數以及在所述網格節點區域各耦合邊上可壓縮流體的壓力和速度時間導數的方程，獲得耦合邊求解變量時間推進方程； 確定模塊，用於根據所述耦合邊求解變量時間推進方程，確定可壓縮流體中耦合邊邊界條件。
7.根據權利要求6所述的耦合邊處理的特徵無反射邊界條件設定系統，其特徵在於，還包括: 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。
8.根據權利要求6或7所述的耦合邊處理的特徵無反射邊界條件設定系統，其特徵在於，所述確定模塊具體包括: 選取單元，用於根據所述耦合邊求解變量時間推進方程，選取與所述耦合邊求解變量時間推進方程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，獲得下一個時間耦合邊上求解變量的更新值； 確定單元，用於根據所述下一個時間耦合邊上求解變量的更新值，確定可壓縮流體中率禹合邊邊界條件。
9.根據權利要求6或7所述的耦合邊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，對確定的可壓縮流體中耦合邊邊界條件進行驗證。
10.根據權利要求6或7所述的耦合邊處理的特徵無反射邊界條件設定系統，其特徵在於，所述耦合邊求解變量包括可壓縮流體的速度、密度和溫度。
【文檔編號】G06F19/00GK103514372SQ201310432935
【公開日】2014年1月15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