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文档简介
Computational Fluid Dynamics计算流体力学(CFD),第三讲:计算网格技术, 基础和结构化网格,Introduction,The numerical solution of partial differential equations requires some discretization of the field into a collection of points or elemental volumes (cells).,The differential equations are approximated by a set of algebraic equations on this collection, which can be solved to produce a set of discrete values that approximate the solution of the PDE over the field.,Grid generation is the process of determining the coordinate transformation that maps the body-fitted non-uniform non- orthogonal physical space x,y,z,t into the transformed uniform orthogonal computational space ,.,Choice of grid,结构化网格,直角网格,三角形网格,Choice of grid,Simple/regular geometries (e.g. pipe, circular cylinder): The grid lines usually follow the coordinate directions.,Complex geometries (Boundary-Fitted Non-Orthogonal Grids): Grid Types: (1). Structured (2). Block-structured (3). Unstructured,Complex geometries (Boundary-Fitted Non-Orthogonal Grids): Advantages: (1). Can be adapted to any geometry (2). Boundary conditions are easy to apply (3). Grid spacing can be made smaller in regions of strong variable variation.,Disadvantages: (1). The transformed equations contain more terms thereby increasing both the difficulty of programming and the cost of solving the equations (2). The grid non-orthogonality may cause unphysical solutions.,Complex geometries (Boundary-Fitted Non-Orthogonal Grids):,structured,Block-structured with matching interface,Unstructured,Block-structured without matching interface,早期有限差分方法应用于实际问题时物面边界的近似处理方法,Choice of grid,如果求解区域不规则,当用等步长网格把物理区域离散 后,除了与边界相邻的网格点以外,各个内点可以很简 单构造二阶或高阶格式,而在与边界相邻的网格点上则 很难保持格式精度,计算时数据管理变得较为复杂,边界条件往往需要通过内插或外插来起作用,由于网格 线与边界不垂直,不便于 这类边界条件的使用,会带 来较大误差,网格发展思路之一: 贴体结构化网格,网格发展思路之二: 贴体非结构化网格,网格发展思路之三: 直角网格,Grid generation,结构化网格生成方法(structured grid) 三角形网格生成方法(triangle/tetrahedron) 直角网格生成方法(Cartesian grid),(structured grid generation method),结构化网格的生成方法大致分为代数方法、保角变换方法和求解偏微分方程方法三类,其各具优缺点和适用范围。,生成贴体及与边界正交的具有多块结构的高质量网格,实现对网格的物面正交性、法向光顺性及周向均匀性的多重控制。,结构化网格生成方法,Conformal mapping: Based on complex variable theory, which is limited to two dimensions.,Algebraic methods: 1. 1D: Polynomials, Trigonometric functions, Logarithmic functions. 2. 2D: Orthogonal one-dimensional transformation, normalizing transformation, connection functions 3. 3D: Stacked two-dimensional transformations, superelliptical boundaries.,Differential equation methods: Step 1: Determine the grid point distribution on the boundaries of the physical space. Step 2: Assume the interior grid point is specified by a differential equation that satisfies the grid point distributions specified on the boundaries and yields an acceptable interior grid point distribution.,Commercial software (Gridgen, Gambit, etc.),Examples,(a) Symmetric (b) centerbody (c) asymmetric,求解偏微分方程方法:,椭圆型偏微分方程,Hilgenstock 源项修正方法,求解偏微分方程方法:,法向外推方法中的推进方向计算:( Stretched grids ),结构化网格,单块网格,多块网格,网格拓扑结构:,Grid topology,Grid topology,Topology of “O” type grid,Topology of “C” type grid,Topology of “H” type grid,按照网格生成权威 Joe F. Thompson 的意见(AGARD CP-464,1989) 将 “ block ” 、“ patched ”、“ zonal ” 等网格统一称作 “ multi-block ”,即多块网格将 “ chimera ”、“ embedded ”、“ overlaid ”、“ overlapped ” 等网格统一称作 “ chimera ”,即嵌套网格,multi-block 、多块网格,chimera 、嵌套网格,分块策略: 第一种:要求块与块之间的交界面是一个完整的 网格边界面 第二种:允许块与块之间的交界面是部分搭接的 关系,1,2,3,4,5,1,1,2,2,3,3,4,5,4,5,多块分区示意图,Complex geometries (Chimera grid): 1. Definition: Use of a set of grids to cover irregular solution domains.,2. Advantages: (1). Reduce substantially the time and efforts to generate a grid, especially for 3D configurations with increasing geometric complexity. (2). It allows without additional difficulty calculation of flows around moving bodies.,3. Disadvantages: (1). The programming and coupling of the grids can be complicated. (2). Difficult to maintain conservation at the interfaces. (3). Interpolation process may introduce errors or
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