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CFD理论|假扩散的修正-流向扩散

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《数值计算》导读:介绍克服假扩散的格式与方法。

上一篇文章可知,(1)采用截差阶数较高的方式;(2)减轻流线和网格线之间的倾斜交叉现象或者构造格式时考虑到来流方向的影响。接下来我们将从第一点出发展开今天的内容。


01    

二阶迎风差分格式


 
(1)二阶迎风差分格式
二阶迎风差分就是一阶导数具有二阶截差的偏差分格式。

对于上图均分网格,其定义为:

为了进一步理解该格式,对于    大于0的情形,把它改写为: 

括号中的第一项就是一般的一阶迎风差分,第二项可以看作是曲率修正。如下图所示:

当实际变化曲线向上凹时,以    控制容积的    界面的导数(近似看为    )来代替    的导数将得到偏低的结果。但此时上式中的第二项(    )大于零,因此相当于做了一次修正。

当    的变化曲线向下凹时,情况刚好相反,此时第二个括号中的项相当于修正了用    界面上的斜率代替P点斜率所带来的偏离误差。类似地,当    ,方程可以变化为: 

二阶迎风的界面插值定义为:


则控制容积P内一阶导数积分平均值的离散格式为:

   
 

当对流项采用二阶迎风格式,扩散项采用中心差分格式时,此时离散方程具有二阶精度的截差,从控制容积积分法导出的二阶迎风格式具有守恒性。

02      

三阶迎风差分格式


   
采用Taylor展开法定义三阶迎风差分就是一阶导数具有三阶截差的偏差分格式:
 
   
 

构造这一格式时候向下游方向取了一点,从而提高的截差的阶数,但也会使格式变为条件稳定:

对流项取三阶迎风格式时,扩散项一般仍取二阶截差的中心差分,从控制容积积分法导出的三阶迎风也具有守恒特性。

03      

QUICK格式


   
QUICK格式是通过提高界面上插值函数的阶数来提高格式的截断误差。
在分段函数线性插值的基础上引入曲率修正。

 

     

符号      表示曲率修正,其计算方法为:


对流项的这一格式称为QUICK格式,是“对流项的二次迎风插值(quadratic upwind interpolation of convective kinematics)的英文缩写,二次指的是相对线性插值(一次)而言。迎风指的是曲率修正Curv总是取界面两侧的两个点及迎风方向的另一个点所组成。

对流项的QUICK格式具有三阶精度的截差,但扩散项一般仍采用二阶截差的中心差分格式,QUICK格式同样具有守恒性。

04      

近边界点处理及方程求解


   
(1)高阶格式下近边界点处理  
 
无论是二阶迎风或者QUCIK格式,对于一维问题都是5点格式,对于二维问题都是九点格式。那么如何建立第一个内节点的离散方程,形成的离散方程又如何求解?常见的处理方法是:
 
1)在边界上采用二次插值,设上游方向有一个虚拟节点0,其上值为:

     

2)采用一阶迎风或混合格式来处理边界,这样就不需要上游方向的第二个节点。  
 
(2)高阶格式下离散方程的求解  
 
1)采用交替方向对五对角阵算法PDMA是用直接解法求解五对角阵的算法,在不同坐标方向交替使用这一方法就可迭代式获取代数方程的解。
2)延迟修正方法-将界面上函数的插值表述成下方式:  

式中上标H及L分别表示高阶和低阶格式  
 

原创文案 |  小陈    &&    校对排版 | 小陈



来源:BB学长
理论控制
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首次发布时间:2023-06-24
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BB学长
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