混合网格重叠方法在多体相对运动中的应用.pdf

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1、Vo1_7No．1第7卷第l期2015年2月Feb．2O15混合网格重叠方法在多体相对运动中的应用康忠良方媛媛(I．中国建筑科学研究院建研科技股份有限公司，北京100013；2．北京市燃气集团研究院，北京100011)【摘要】本文发展了混合网格的动态重叠方法。基于线性重构方法，给出了一种适用于混合网格间的插值策略。所建立的网格间边界定义方法的性能优秀可靠，网格装配后的插值边界光滑且网格匹配性较好。耦合求解非定常Ns方程和刚体6DOF运动方程来模拟多体相对运动问题。外挂物分离问题的数值计算表明，所发展的动网格方法对于处理多体相对运动模拟问题是快速准确可靠的。【关键词】动网格；重叠网格；混合网格；

2、多体运动【中图分类号】V211．3【文献标识码】A【文章编号】1674—7461(2015)O1—0069—06散。另一方面，在实际工程应用中还应该强调动网1引言格处理的自动化程度、最大限度地减少人工干预，否则也不能体现混合网格重叠方法的优势。本文在优化网格问边界定义的基础上，给出一在计算流体力学(CFD)应用中，采用混合网格种适用于任意单元类型的插值策略，并给出一种完方法不但对复杂构型具有强大的几何适应能力，网全自动化的高效的网格动态装配策略。格生成的人工工作量少，而且易于通过采用不同的单元类型及调整网格的疏密来适应不同的流场特2数值方法征，并容易生成整体网格、整体求解。但是，在实际应用中，

3、混合网格方法也遇到了一些困难，比如对本文算法构造基于任意多面体混合网格单元。于多体相对运动问题，就需要对网格进行再生，处算法不考虑具体的网格拓扑，对不同的单元类型统一理非常复杂。处理。空间离散采用格心有限体积法，控制体取网格为了解决这一问题，Nakahashi¨首先提出了非单元，控制面取单元表面，流场变量存储在单元中心。结构网格重叠方法。该方法吸收了结构网格重叠方2．1控制方程法的优点，后来又被推广到混合网格重叠及动态重舍去源项的三维非定常可压缩Ns方程组在直叠应用中，得到了较大的发展。混合网格动态重角坐标系下的守恒积分形式可表示为叠方法的优点就是在模拟多体间具有大幅相对运动和+F)dS=0(

4、1)问题时，在物体运动过程中不需要网格再生，算法实式中：为控制体；d为控制面；Q为守恒变矢量；现简单，并且可以获得较高的动网格处理效率。F为对流通量；F为粘性通量。各项的具体描述详尽管如此，混合网格重叠方法目前仍然面临诸见文献。多难题，其中，网格间边界的定义及其插值方法就是其中一个重要方面，已有研究均基于多层网格节2．2数值离散方法点的流场变量进行插值计算，该思路实现较为繁对流通量离散采用Roe格式近似求解Rie—琐，且容易在高速流动强间断附近产生较大的耗mann问题。假设控制面Ⅳ的左右单元分别为，和【基金项目】“十二五”国家科技支撑计划(2012BAJ09B04)【作者简介】康忠良(1981

5、一)，工学博士。主要从事CFD技术和BIM技术研究。．，，则对流通量可表示为：中，子网格G2中单元B(1-2-3)是子网格G1中单元(F)ⅣA(a．b—c)的宿主单元，这是因为单元A的格心落在。1了单元B的内部。—专_【F。(QR)+F(Q)一}A。l(Q一QL)】(2)3．1插值方法式中：Jl为Roe平均矩阵；Q和Q分别为控制在本文混合网格重叠系统的流场计算中，子网格面的左右状态。如果Q和Q分别取左右单元中心间的信息交换需要插值单元通过其宿主单元来获取的平均值，则空间离散只有一阶精度，为了达到二其它子网格的相应边界信息，这一信息交换过程称为阶精度，就需要对其进行重构。插值。与传统的完全依赖于

6、格点流场变量进行插值Barth提出的线性重构方法假定解在控制体的方法不同，下面给出一种新型的插值策略。内呈线性分布，面左右两侧的值可表示为该方法依赖于插值单元的格心流场变量值、单UL=U，+qrl(U，·rf)元梯度值和限制器函数值的计算来完成。比如图U=UJ+(U，·r)一1，插值单元A的状态可以通过下式确定R式中：U为任意流场变量值；U，为单元，4本心的UA=U+(UB·rd日)梯度；为限制器函数；r为从体心到面心的矢量。UA：U(4)U，采用最小二乘法计算，采用收敛特性非常=好的Venkatakrishnan限制器。通过上式计算，插值单元A可以充分利用宿主另外，粘性通量采用中心格式离散，

7、湍流模型单元B的所有相邻单元的信息。这是因为式(4)与采用Spalart—Allmaras一方程模型，时间离散采用式(3)相类似，和都是通过单元B的所有格式。非定常流动控制方程采用双时间步长法相邻单元构造得来。显然，这里要求宿主单元B在求解，每一个物理时间步上的伪时间推进采用LU—流场重构时能够构造出足够多的模板。SGS隐式格式。。当网格间边界重叠区附近流动梯度变化较小时，该插值方法与线性重构一样