[发明专利]适用于格子Boltzmann方法的多重笛卡尔网格生成方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算流体力学和计算机领域，提出了适用于格子Boltzmann方法的多重笛卡尔网格生成方法。

背景技术

格子Boltzmann方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）是将粒子速度分布离散成有限的几个值，通过分子在格子节点间沿有限的速度方向的运动和碰撞过程来模拟出不可压Navier-Stokes方程的解。LBM因其算法简单、计算效率高、并行性好以及能够方便处理复杂边界条件等优点而受到广泛关注，最近十几年来发展十分迅速。一方面，应用LBM已经在许多领域取得了成功，包括复杂的湍流、多相流、反应流动、气动噪声、相界面及相变、多孔介质中的流动、自然对流换热、有自由表面的流动、高Knudsen数的流动、互溶液体扩散系数的预测、非稳态流动等。另一方面，LBM在数值模拟处理方法与技巧上也有很大的进展，如不规则几何形状的处理、复杂边界条件的处理、非均分格子及稳定性分析等。但是，由于高速流动情况下的现有平衡态密度分布函数出现负值，无法保证LBM格式的稳定性，因此应用LBM计算可压缩流动具有较大的难度。

近年来，发展起另一种由Boltzmann方程出发的基于 BGK模型的计算方法。其基本思想是从统计物理中的Boltzmann方程出发，其中碰撞项采用BGK模型进行简化，以此为基础建立宏观量的差分格式，称为气体动力学BGK格式（Gas-Kinetic BGK Scheme）。该方法已在化学反应流动、多相流动、稀薄气体流动、可压缩流动、水波运动以及磁流体中得到了应用。这些应用表明该方法具有丰富的物理内涵，可以解决一些复杂流动问题，但该方法对三维问题的计算量较大。

随着LBM方法的发展，其应用也越来越广泛，但该方法需要使用一种称为笛卡尔网格的计算网格。目前，还未见到成熟的适用于LBM方法的笛卡尔网格的生成软件，只在大型商用计算软件PowerFLOW中出现过，为此十分必要发明适用于LBM方法的笛卡尔网格生成方法。

发明内容

本发明的目的在于，为了解决上述问题而提供一种适用于LBM方法的笛卡尔网格生成方法，该方法能对任何复杂几何的物体的内部或外部生成多重笛卡尔网格，避免了以往只能对一个具体的简单物体进行网格剖分的局限，即方法能很好地适应复杂几何的物体，从而具有较高的适应性。

为达到上述目的，本发明的构思是：如果进行外流计算，首先用一个计算区域将物体围住，并用最粗的网格尺寸对该区域进行网格剖分（如果进行内流计算，就直接对物体内部进行剖分，后面只对外流的情况阐述本专利，内流不再赘述），然后将网格中心位于物体内部的网格删除，最后逐层地从物体表面开始对网格进行加密，最终形成多重的笛卡尔网格。

根据上述发明构思，对于一个物体外部的计算区域，本发明采用下述技术方案：

A、              根据用户要求设置多重笛卡尔网格的参数；LBM方法的网格类型（如D3Q15、D3Q19或D3Q27等）、网格尺寸、网格重数和网格层数等；

B、 计算生成最粗的单重网格，并利用射线法判断网格单元中心与物体的相对位置，如果在内部就删除该网格单元，如果在物体边界上则计算网格单元中心到边界的距离（该距离在LBM方法中将要使用），生成网格的邻居信息；

C、 通过加密从粗到细逐层构建多重网格：逐层地从物体表面开始对网格进行加密，生成的子网格单元也需要判断与物体的相对位置，如果在内部就删除该子网格单元，如果在物体边界上则计算子网格单元中心到边界的距离，最后搜索形成子网格的邻居信息，最终形成新一重的笛卡尔网格。

本发明的适用于格子Boltzmann方法的多重笛卡尔网格生成方法，与现有网格生成技术相比较，具有以下突出的实质性特点和显著优点：

1.   该方法建立的多重笛卡尔网格适用于各种LBM方法的网格单元类型，避免了以往LBM方法没有专用网格生成器；

2. 该方法可以在集群式计算机的各个计算节点上采用并行网格剖分，避免了以往网格剖分都是在一个节点上进行然后传送个各计算节点；

3. 有了本发明后，在将来进行的流场计算时，可以根据流场计算结果对局部网格进行自适应加密。

附图说明

图1是本发明的适用于格子Boltzmann方法的多重笛卡尔网格生成方法的流程图。

图2是图1中步骤C所述的对上一层网格进行加密的具体流程图。

图3是图2中C2所述的对一个网格单元进行加密的流程图。

图4是具体实施实例的测试的翼身组合体的几何外形。