[發明專利]一種基于固定網格技術的流固耦合計算方法

有效

• 申請號: 201510217427.1
• 申請日: 2015-04-30
• 公開（公告）號: CN104850689B
• 公開（公告）日: 2019-01-04
• 發明（設計）人: 王文全;閆妍
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種基于固定網格技術的流固耦合計算方法，屬于流固耦合模擬技術領域。本發明包括步驟：A、調用網格劃分模塊，采用兩套網格：流體和固體組成的整個物理區域，固體區域；B、調用流場計算CFD模塊，更新流場狀態變量，同時獲得流體作用于固體邊界節點上的力；C、調用固體計算CSD模塊，更新固體狀態變量，同時獲取固體邊界節點上的位移和速度；D、調用結果輸出模塊，將固體狀態變量和流場信息輸出到文件，供后處理使用；E、判斷是否結束計算。本發明成功避免使用動網格模塊，大大節省了網格更新所需要的計算資源；克服了傳統的基于移動網格技術時復雜的內部網格更新與邊界網格控制運算，不容易準確計算流固界面作用力的缺點。

技術領域

本發明涉及一種基于固定網格技術的流固耦合計算方法，屬于流固耦合模擬技術領域。

背景技術

流固耦合問題的難點之一是流體和固體使用不同的數學描述框架。通常，流體運動使用歐拉描述，而固體運動使用拉格朗日描述：傳統的流固耦合方法，流體區域的網格隨固體邊界的運動而動態更新，網格運算和網格質量控制過程異常復雜，得到的邊界層附近的速度分布誤差較大。為此，本發明提出基于固定網格技術的流固耦合計算方法，避免了使用動網格計算模塊，計算過程簡單，易于程序設計。

發明內容

本發明提供了一種基于固定網格技術的流固耦合計算方法，以用于克服傳統基于移動網格技術在計算固體與流體耦合作用上的不足。

本發明的技術方案是：一種基于固定網格技術的流固耦合計算方法，所述方法的具體步驟如下：

Step1、調用網格劃分模塊，采用兩套網格：流場區域，固體區域；其中流場區域在歐拉描述下采用笛卡爾網格離散，固體區域在拉格朗日描述下使用適體有限元網格離散；

Step2、調用流場CFD(計算流體動力學)計算模塊，采用基于分步投影的浸入邊界方法，求解不可壓縮粘性牛頓流體的流動控制方程，更新流場狀態變量，同時獲得流體作用于固體邊界節點上的力；

Step3、調用固體CSD(計算固體動力學)計算模塊，采用有限單元方法，求解固體動力學控制方程，更新固體狀態變量，同時獲取固體邊界節點上的位移和速度；

Step4、將固體狀態變量和流場信息輸出到文件，供后處理使用；

Step5、判斷是否結束計算：

如果△t·n＜T，則進入下一時間步，繼續執行步驟Step2、Step3和Step4；

如果△t·n≥T，則結束整個計算；

其中△t為時間步長，T為要求計算的總物理時間，n為時間步數。

所述流場區域包括流體和固體所占據的空間區域，固體區域可包括剛體區域和彈性體區域。

所述步驟Step1中，流場區域在歐拉描述下采用笛卡爾網格劃分，其網格單元中心或節點上的流場變量稱為歐拉變量，并將網格節點坐標信息x_j輸出到文件fcor.txt；固體區域在拉格朗日描述下使用適體有限元網格劃分，其網格節點上的變量稱為拉格朗日變量，相應網格節點坐標信息X輸出到文件scor.txt，其中固體邊界節點坐標信息可用表示。

所述步驟Step1中，流場區域在歐拉描述下采用笛卡爾網格劃分，其網格單元中心或節點上的流場變量稱為歐拉變量，并將網格節點坐標信息x_j輸出到文件fcor.txt；固體區域在拉格朗日描述下使用適體有限元網格劃分，其網格節點上的變量稱為拉格朗日變量，相應網格節點坐標信息X輸出到文件scor.txt，其中固體邊界節點坐標信息可用表示。

所述步驟Step2中，通過基于分步投影浸入邊界方法的CFD計算，實現兩大功能：

一是獲得流體作用于固體邊界節點上的力：