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【发明授权】基于空间耦合一体化数值模型的水流模拟方法_上海交通大学_202010326471.7 

申请/专利权人:上海交通大学

申请日:2020-04-23

公开(公告)日:2021-01-08

公开(公告)号:CN111523280B

主分类号:G06F30/28(20200101)

分类号:G06F30/28(20200101);G06F111/10(20200101);G06F113/08(20200101);G06F119/14(20200101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2021.01.08#授权;2020.09.04#实质审查的生效;2020.08.11#公开

摘要:一种基于空间耦合一体化数值模型的水流模拟方法,基于高度拟合复杂边界的非结构计算网格的有限体积法,建立水波动力学的数值模型;然后通过空间区域剖分将整体计算域剖分为各自独立运行的非色散水波执行区域和色散水波执行区域,不同区域采用不同的计算模型;各区域之间,即区域衔接通过构造交换函数实现色散与非色散水波模型的一体化模拟;最终建立用于水流模拟的耦合的水波数值模型。本发明通过空间计算域剖分组合的方式,将色散与非色散数值模型统一整体化模拟。控制方程离散数值格式统一,色散模式局部运行,区域交界面以理论流速剖面为基本模板插值实现数据的交换,实现模拟精度与计算效率的有机结合。本发明充分发挥了非色散水波模型的模拟高效和色散水波模型模拟的高精度,顾两类模型的优点,拓宽了两类模型的应用范围。

主权项:1.一种基于空间耦合一体化数值模型的水流模拟方法,其特征在于,基于高度拟合复杂边界的非结构计算网格的有限体积法,建立水波动力学的数值模型;然后通过空间区域剖分将整体计算域剖分为各自独立运行的非色散水波执行区域和色散水波执行区域,不同区域采用不同的计算模型;各区域之间,即区域衔接通过构造交换函数实现色散与非色散水波模型的一体化模拟;最终建立用于水流模拟的耦合的水波数值模型;所述的交换函数为双曲函数,从而避免区域剖分带来的数值噪音;所述的独立运行,即非色散水波执行区域和色散水波执行区域分别采用的非色散水波模型和色散水波模型,其通过基于预估-矫正数值模拟方法实现一体化模拟,具体包括以下步骤:步骤1复杂区域剖分的多块组合:各子区域分别设定固体域边界并依据空间分辨率要求离散为线段单元,相邻区域的边界离散形式保持一致;各子区域分别采用阵面推进法、几何剖分法网格生成技术生成独立的空间网格;各子区域两两合并,消除共同边,统一网格拓扑序列,最终得到整体计算网格;步骤2色散、非色散水波模型子区域剖分及组合:色散水波模型和非色散水波模型分别设定不同的空间计算域,两类模型一体化整体模拟,相互耦合,模型间的流场数据通过区域界面实时交换,固定的模型区域划分示意,区域间设定过渡区,数据更迭采用双曲函数增加其光滑性;步骤3一体化数值模拟:数值方法基于有限体积法,数值格式基于二阶TVD格式,数值模拟的计算程序以MPIOpenMP混合语言编制;所述的用于水流模拟的耦合的水波数值模型包括:基本控制方程:其中:为流体运动速度,p为压强,为重力加速度,为地球旋转速度,υ为流体的运动粘性系数;压力分解:p=pH+pn,其中:pH对应于非色散水波的压强,pn对应于色散水波的压强;所述的预估-矫正数值模拟方法,具体包括:①预估流场计算,非色散水波模拟:连续方程:其中:ζ为水位值,Qx,Qy为流动通量变量,Z1,Z2为系数矩阵;动量方程:其中:Aix,Gxi,Bi分别为系数矩阵;Aiy,Gyi,Bi分别为系数矩阵;Aiz,Gzi分别为系数矩阵;②矫正流场计算,色散水波模拟:动量方程:其中:Ci为系数矩阵;连续方程:其中:APi,k,分别为系数矩阵,上标n和n+1分别代表两个不同时刻;③离散代数方程组的模拟采用预处理的共轭梯度法实现。

全文数据:

权利要求:

百度查询: 上海交通大学 基于空间耦合一体化数值模型的水流模拟方法

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