[发明专利]一种用于模拟流体流动的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于模拟流体流动的方法。

背景技术

在生活中经常遇到的诸如泄露在海面上的石油的扩散、煤气在建筑物物中的泄露、波浪 的变化和发展，以及生产过程中的晶体形成和生长、液体中气泡的逸出和破裂、浇铸和注塑 过程等等都是关于流体流动运动界面的问题。为制定有效的求援方案或确保产品的质量，重 要的是对上述过程进行准确和有效的模拟。模拟这个过程包括对流体流动行为及流动区域内 的边界面进行建模。现有技术的方法已使用计算流体动力学、有限元分析、有限差分法对上 述行为进行建模。

有限差分法是一种用于数值求解关于流体流动行为有效技术，它是将求解区域划分为矩 形或正交曲线网格，在网格线交点，即节点上，将描述流体流动行为的控制方程中的每一个 微商用差商来代替，从而将连续函数的微分方程离散为网格节点上定义的差分方程，每个方 程中包含了本节点及其附近一些节点上的待求函数值，通过求解这些代数方程就可获得所需 的数值解。

当流体流动区域内存在复杂的边界形状时，由于常规的结构化网格不能描述复杂边界形 状，导致有限差分法无法适用于相应流体流动行为的控制方程的数值求解，或者在非规则边 界附近无法给出满意的数值解。针对复杂边界形状，进行流体流动模拟通常采取的方案是， 将流动区域剖分成非结构化网格，然后用有限元方法或有限体积法进行数值求解。然而由于 复杂边界形状下的区域剖分本身是一个复杂的计算几何问题，其次是有限元、有限体积法相 比有限差分法更复杂，由此增加了流体流动模拟的困难与复杂性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：当流体流动的区域内包含以非规则边界表示的障碍物时， 提供一种模拟流体流动的方法，从而可以更精确和高效的实现流体模拟。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于模拟流体流动的方法，该流体流 动的区域内包括以非规则边界表示的障碍物，其特征在于，包括：

创建覆盖流体流动区域的初始物理空间结构化网格；

将流体流动区域的初始物理空间网格转化为嵌入非规则边界的的复合结构化网格，以下 将上述嵌入非规则边界的复合结构化网格称为复合隐式结构化网格(Compound Implicit Structural Grid)，记为CISgrid；

根据CISgrid的节点连通规则进行流体流动的数值模拟；

根据CISgrid的单元内部有效性规则进行流体流动数值模拟的后置处理过程。

所述的流体流动区域的初始物理空间结构化网格，在二维情形是四边形网格，在三维情 形是六面体网格；对二维情形，所述表示流动区域内障碍物的非规则边界可以是任何数学形 式描述的折线段、曲线段的有限集；对三维情形，所述非规则边界可以是任何数学形式描述 的平面片、曲面片的有限集；并且对任意给定的非规则边界元素，它总是可以在逻辑上将空 间一分为二，分成左边和右边，或内部和外部。

所述的CISgrid网格是结构化网格在非规则边界处进行扩展而得到。

所述的CISgrid具有如下特征：

CISgrid是在所述流体流动区域的初始物理空间网格基础上演化形成的，CISgrid在空间 上与所述流体流动区域的初始物理空间网格完全重合；

CISgrid的网格单元形式与所述流体流动区域的初始物理空间网格的单元形式相同，即在 二维情形是四边形网格，在三维情形是六面体网格；

任意流体流动区域的初始物理网格单元的空间位置处的CISgrid网格单元数不小于1。

所述流体流动区域的初始物理空间网格向CISgrid网格的转化是通过对非规则边界逐个 处理而实现的，对给定非规则边界Γ的处理方法是：

把非规则边界Γ穿过的、且与Γ上的点具有拓扑相容性的CISgrid网格单元分裂成同空间 位置的两个CISgrid网格单元G₁、G₂，并分别附加“位于边界Γ左边”、“位于边界Γ右边”的 拓扑信息结点；