12 求解N—S方程的压力修正.ppt

1、12 求解NS方程的压力修正方法,1、压力修正的意义：对动量方程的离散形式进行求解时，我们迭代的压力场P*计算出来的速度场，未必可以满足连续方程。所以我们要寻找一个改进压力估计值P*的方法，以使所得的带*的速度场逐渐的满足连续方程。 2、压力修正方法的基本思想：在对NS方程的离散形式进行迭代求解的任一层次上，可以给定一个压力场，它可以是给定的或是上一层次计算出来的。但由它所计算出的速度场未必满足连续性方程，所以要对压力场进行修正。 3、修正原则：与改进后的压力场相对应的速度场能满足这一迭代层次上的连续性方程，据此来导出压力与速度修正值，并以修正后的压力与速度开始下一层次的迭代计算。,4、压力修

2、正法步骤： 1）假设一个压力场p*。 2）利用p*，求解动量离散方程，得出相应的u*,v*(不完善的速度场)。 3）改进压力场，要求与改进后的压力场相对应的速度场能满足连续性方程。即用p,u,v分别表示压力与速度的修正量，称之为压力修正值（pressure correction）与速度修正量(velocity correction)。 4）以正确的压力（p*+ p），及相应的（u*+ u），（v*+ v）作为本层次的解，并据此开始下一层次的迭代计算。,引出两个关键问题： 1、如何获得压力修正值p 以使与p相应的u、v满足连续性方程? 2、 获得压力修正值p后，如何确定u*,v*?,12.1 速

3、度修正值的计算公式 改进后的压力场和速度场满足这一迭代层次上的动量离散方程：,因为u*e是据p*从这一动量离散方程中导出的，因此也满足 动量离散方程，虽可能不满足连续性方程。,两式相减得：,说明：任意点速度的改进值ue由两部分组成： 1) 该速度在同一方向上的相邻两节点间压力修正值之差产生速度修正值的直接动力。 2) 由邻点速度修正值所引起的，可视为是四周压力的修正值对所讨论位置上的速度改进的间接影响。,为了简化，忽略间接影响，相当于假设 anbue 中anb=0的。 得到速度修正方程：,或,类似可得,于是改进后的速度为：,(1),12.2 求解压力修正值的代数方程 压力修正值p应满足的条件：

4、由p而改进的速度场u、v能满足 连续性方程。将式1代入连续性方程的离散格式即可获得p的代数方程。,在时间间隔t内对主控制体做积分，得：,将（1）代入并整理可得：,其中：,-压力修正值的代数方程。,（2）,说明： 1）b项是按带星号的速度取值的离散化连续性方程左侧的负值。如b=0，说明该速度场已满足连续性方程，不必对压力进一步进行修正，p方程迭代已收敛，即由该压力场求解的速度场定满足二守恒方程； 2）可用各控制容积b值（不满足连续性方程的剩余质量的大小）作为判断速度场收敛的判据。收敛速度与p的特定方程有关，如忽略项过多，会影响收敛速度。如b0，重新校正压力场p后，再求b值，直至 b0时， p 压

5、力场可使速度分布满足连续性方程； 3）由p计算而得的u，v可使u、v能满足连续性方程，以u，v作为本层次上的速度场的解，并用它去改进动量离散化方程系数，开始进行下一层次的迭代计算；,4）因求解的问题是非线性的，没有必要在每一层次迭代上去获得p真解，采用ADI方式对p场作3-5次扫描后即可停止迭代（初始令各点p=0）。 12.3 压力修正值方程的边界条件 工程流场计算中边界条件一般有两种。 1) 边界上的压力已知：则p=0 2) 边界上的法向速度已知，设ue已知，则ue=0，则不必引入pE。,说明：不论是边界压力已知，还是法向速度已知，都没有必要引入关于边界上压力修正值的信息。在计算中，可令与边

6、界相邻的主控制容积的p方程相应的影响系数为零。 12.4 SIMPLE算法（Semi-Implicit Method for Pressuer Linked ）（解压力耦合方程的半隐方法） SIMPLE法就是一种计算压力修正的一种方法。 1、半隐含义：所谓半隐式是在公式中略去了某一项的处理方法。略去间接影响保留直接影响的称为半隐式,全保留是全隐式,1）后部分是压力修正对ue的直接影响；前一部分是压力修正对ue的间接影响，忽略该项称为半隐； 2）计算中若保留 anbunb项，则ue方程就是全隐的代数方程。势必存在ue的相邻点的压力修正和速度修正，相邻点又引入新的相邻点，这样使计算变复杂，无法进行

7、逐点计算。但此项的忽略并不影响最终收敛解。,2、simple算法的计算步骤 1）假定一个速度分布，记为u0，v0，以此计算动量方程中的系数及常数项。 （源项中压力梯度无法求）,2）假定一个压力场p*； 3）依次求解两个动量方程，得u*,v*（初始场）； 4）求解压力修正值方程，得p；（ u*满足动量守恒但不满足连续性方程） 5）据p改进速度值；（以使新速度u满足连续性方程但可能不满足动量守恒） 6）利用改进后的速度场（uu0，vv0）重新计算动量离散方程的系数及源项中有影响速度场耦合的变量，如果并不影响流场，应在速度场收敛后再求解。 7）利用改进后的压力场（pp*）作为下一次迭代计算的初值。重

8、复上述步骤，直到得到收敛解（即满足质量方程b0，又满足动量方程0）。,分析讨论： 1）为什么在获得压力的改进值p（p*+ p）后，不直接利用这一改进值及u*,v*去开始下一层次的迭代，而还要计算这一层次的u，v？ 因u*,v*还不满足这一层次的连续性方程，如果用它们去确定新的系数，开始下一层次迭代，会影响迭代的收敛速度，也会使ap = anb 的关系得不到保证。（注（Fe- Fw）项，会使代数方程组系数矩阵对角占优的条件遭到破坏。） 2）如何获得p的离散化方程？ 盲目试探压力场p*是不明智的，如能找到一种调节压力方法，即压力修正p方程，压力校正方程仅是起引向正确压力场的一个中间算法，作用相当于

9、一个负反馈器，对最终结果无直接影响，如推导p方程略去项太多，可能导致发散，起正反馈作用。,12.5 simple算法的讨论 1、采取的简化假定 1）速度场u0,v0 及p*的假定是各自独立进行的，两者间没有任何联系。但实际上如果给定一个速度场，压力也随之而定。独立设定可能会使两场不匹配。 2）略去 anbunb项意味着在对速度修正值计算时没有把邻点速度修正值的影响考虑在内，如果对等号前的项作相应的变化，可以减少因为略去邻点修正值的影响。 3）采用线性化的动量离散方程，也就是在一个层次的计算中，动量离散方程中的系数及源项假定为定值。实际上它们与速度有关。,2、上述简化只会影响收敛的快慢，不会影响

10、收敛的解 simple算法是以迭代方式进行求解的过程，它必须满足一个基本要求，即迭代模式的组织不能影响最终的收敛解。Simple算法中采用的简化处理都满足这一基本要求。 1）u0,v0与p*之间独立的假设，可能造成速度场与压力场之间的不协调，但只要迭代过程是收敛的，随着迭代的进行，这种不协调会逐渐减小，以致消失。 2）略去 anbunb， anbvnb对最终的收敛解也没有影响。因为如果迭代收敛，则u0,因而 anbunb， anbvnb均0， 3）当迭代趋近于收敛时，两层间u，v也趋于相等。因而离散方程的系数及源项保持不变。,12.6 速度与压力修正值的亚松弛 速度修正时略去邻界点的影响，使压

11、力修正本身被夸大了，从而使叠代过程中速度场与压力场不能同步，需采用亚松弛。 压力修正：,为限制两层之间的变化，以有利于非线性问题的迭代收敛，将本层次的计算结果与上一层次结果的差值做适当缩减，以避免由于差值过大而引起非线性迭代过程发散，需采用亚松弛。 速度修正：,ap0.8为压力亚松弛因子,p0为上一层次之解，a为松弛因子,式子改为：,主对角线的系数是 而不是ap，源项改为 此时代数方程的解就是亚松弛后的解。,12.7 流场迭代收敛的判据 作用:在算法中,对E、W、N、S和b假定为定值。但实际 受流速的变化而变化。因而没有必要把一组临时的系数与源项的代数方程准确地求出来，采用迭代法可以适时地停止

12、迭代，及时地用所得到的解去更新系数与源项，以进入下一层次的计算。 1、两种迭代收敛问题 1）同一层次上代数方程迭代求解内迭代 2）非线性问题，从一层次向另一层次推进的问题外迭代,小于某一数值.,3) 终止迭代时的范数与初始范数之比小于允许值.,注:p成为余量下降率.其值一般取0.250.05. 迭代次数从始至终近似相同. 缺点:增加了计算范数的工作量.,1) 简单的规定迭代的轮数. 2) p方程余量的范数,2、终止内迭代的判据一般有三种方法,说明：在内迭代中p方程求解是关键，在每一层次的迭代上： 1）若p迭代停止的太早，则速度修正值u,v不能较好地满足连续性方程，由于u,v要用于下一层次迭代方

13、程系数的确定，于是，误差就会传播出去，以至于使迭代发散， 2）若p终止迭代的太晚，将不经济。即占计算机内存和求解时间，因为p方程的求解时间占到整个求解时间的80%以上。 3） p方程组相当于一个扩散方程的离散形式，边界条件处理相当于绝热，一个绝热体系只有当源项总合为零时，才能维持稳定的场，这相当于要求计算区域满足总体质量守恒。,3、终止非线性问题迭代的判据 1）特征量在连续若干个层次迭代中的相对偏差小于允许值。(如Num平均努谢尔特数) 2）内节点上连续方程余量的代数和(Rsum)及余量的最大绝对值(Rmax)小于一定数值。(考虑有流量作参考) 且,3）连续性方程余量范数的相对值小于允许值。 4）要求在整个求解区域内动量方