作为大涡模拟的前期工作,陈荣钱等研究了采用
有限差分法
求解二维Navier- Stokes方程的远场边界处理问题。远场边界条件通常采用特征无反射边界条件。特征无反射边界条件最早是由Thompson提出,应用在笛卡尔网格下欧拉方程的计算中;Pointsot将其应用到笛卡尔网格的可压缩Navier- Stokes方程的计算中;蒋莉将特征无反射边界条件推广到一般曲线坐标系下可压缩N-S方程的计算中,在边界上控制方程改写成原始变量的形式,出口边界采用了松弛因子的方法减小出口反射;Kim提出了另一种一般曲线坐标系下的特征边界条件处理方法,但在边界上控制方程写成守恒变量的形式,同时在入口边界和出口边界都采用了松弛因子方法。最近五年,Yoo认为局部一维无粘关系式中省略的横向对流项及粘性项应当保留;Chen给出了新的一般曲线坐标系下的特征边界条件的数学推导,并将边界条件和采用隐式时间推进求解的内场祸合起来;Landmann将一般曲线坐标系下特征反射和无反射边界条件写成统一的公式,给出了数学推导。由此可以看出,特征无反射边界条件虽然经历了二十多年的发展,取得了一系列的成果,但直到目前仍然是一个需要研究的问题。
正确处理
可压缩流动
的边界条件是得到
直接数值模拟
结果非常关键的一步,因为在直接数值模拟中不可能模拟一个无限大的计算区域.由于计算资源的限制,常会人为地将直接数值模拟的计算区域限制在一个非常有限的区域内,这样就只能在有限的计算区域内给定特定的边界条件口。
对于Navier-Stokes方程的特征边界条件的给定,目前学术界尚存在很大争议。主要的问题集中在Navier-Stokes不是双曲型方程,因此不能简单将Eider方程边界条件给定的方法直接应用到Navier-Stokes方程,但是,对于Navier-Stokes方程,存在类似于Eider方程传播的特征波,为了处理Navier-Stokes方程的特征边界条件,先假定Navier-Stokes传播的特征波主要是Eider方程中特征波的部分,至于Navier-Stokes特征波的详细形式需要在今后数学理论发展之后再进行详细考虑。目前,学术界正是在上述假定下采用类似于Eider特征波分析的方法来处理Navier-Stokes方程的特征波。
李德波等对特征无反射边界条件中角点的边界条件处理进行了研究,并通过大量的数值模拟,提出了新的角点耦合处理数学方法。与此同时,对空间发展的可压缩圆孔射流进行了
直接数值模拟
研究,并将模拟结果与试验值进行了严格验证,结果发现直接数值模拟结果与试验值吻合较好,表明新的角点耦合处理数学方法是有效的。