我们可以通过简单的直接显式计算来模拟可压缩流,而不用求解线性方程组(例如 Poisson eq)吗?

计算科学 流体动力学 纳维斯托克斯 涡度
2021-12-22 19:20:45

这完全合理吗?这似乎是最明显/最天真的方法,所以可能有充分的理由不使用它 - 它们是什么?

粘度并不重要。

从无粘性的 Navier Stokes 开始:

ut+uu+1ρp=f

通过跟踪密度作为状态变量来保存质量。我们对它进行平流,并用速度的发散对其进行更新:

ρt=uρρ(u)

接下来,根据密度计算压力:

p=1α(ρρ01)

现在,我们有压力p我们可以使用它的梯度来计算变化u从第一个 Navier Stokes 方程(从上面重新排列)

ut=uu1ρp+f

这个想法类似于模拟浅水方程,其中速度散度用于更新水的高度。高度就像二维密度(每面积的质量)。流体的重量会产生压力。压力(梯度)的差异导致速度场中的加速度。

但是,我似乎没有从模拟浅水方程中得到任何涡流/涡度,所以我想知道这个想法是否存在一些基本问题......

2个回答

在物理上,涡度只能通过固体表面上边界层的出现或通过不平行于密度梯度的压力梯度来产生(与产生后的传输、拉伸或增强相反)。对于没有粘度的浅水方程,两种机制都不可用,所以恭喜,您的代码做出了正确的预测。尽管由于数值粘度,涡度确实经常出现。它或多或少地出现在与真实粘度出现涡度相同的地方。它可能与真实情况相关,也可能不相关

编辑 二维无粘性可压缩气体的涡度演化方程揭示了涡度的非产生;

tω+uω+ωu+p×ρρ2=0

当然,您可以应用一些显式方案来离散化方程。由于时间步长的稳定性约束,显式方法对于刚性问题是不切实际的。有关详细信息,请参阅 Wikipedia 上的显式和隐式方法页面。