不可压缩黏性流体的二维Navier-Stokes方程的间断有限元模拟*

陈亚飞, 郑云英

(淮北师范大学 数学科学学院, 安徽 淮北 235000)

摘要: 由于不可压缩Navier-Stokes方程由守恒律、扩散及约束发展方程混合构成,为测试数值方法,该文基于非结构网格,对该方程建立了DG(discontinuous Galerkin)格式,讨论了不同黏性系数ν在方腔涡流问题的数值结果,验证了该方法的有效性且不依赖于问题的维数圆柱绕流问题的模拟结果进一步表明此方法精度高、可有效求解具有运动界面的不可压缩黏性流体问题,使得模拟边界层、剪切层及复杂涡流解十分有效,并可以成功地推广到解决复杂现象数值模拟中的激波结构

关 键 词: Navier-Stokes方程; 间断有限元方法; 黏性流体

引 言

Navier-Stokes方程在流体力学中有很重要的意义,是一个非线性偏微分方程,对于Navier-Stokes方程问题的数值求解,国内外学者都进行了大量研究2004年,曹伟[1]应用高阶Taylor展开式给出了时间增量的Galerkin方法,并对不可压缩流体建立了流动分析模型2005年,Nagrath等[2]通过SUPG(streamline upwind Petrov Galerkin)方法数值模拟了不可压缩Navier-Stokes方程2007年,马飞遥等[3]基于粗网格及细网格上的函数空间,将定常的不可压缩的Navier-Stokes方程转化为一个线性问题来进行求解2008年,骆艳、冯民富[4]对可压缩线性Navier-Stokes方程,利用压力梯度投影与间断有限元法相结合,给出了一种求解此方程的稳定格式2011年,Cho等[5]采用Taylor-Galerkin方法离散LS函数的平流方程,采用P1P1分裂有限元方法求解Navier-Stokes方程及基于结构网格模拟了不可压缩问题2013年,Heimann等[6]在结构网格上基于非对称内部惩罚方法,给出了求解不相容不可压缩两相流问题的间断Galerkin方法2013年,章争荣[7]以Galerkin加权余量积分式为基础,对不可压缩黏性流动Navier-Stokes方程速度与压力耦合直接数值求解2015年,郭虹平等[8]采用两相流问题的统一间断有限元框架对气泡上升过程进行了模拟2016年,秦望龙等[9]基于六面体网格单元,采用插值方法将物面的四边形面网格单元构造为弯曲面网格单元,用于三维可压缩Euler方程和Navier-Stokes方程的求解,并通过对三维圆球绕流以及旋转流线体绕流进行数值求解,验证了DG方法的高精度特性2018年,Amrouche等[10]证明了不可压缩Navier-Stokes方程关于Navier边界条件下的Stokes算子与滑移条件有关且在能量空间中收敛到无滑移边界条件的Navier-Stokes方程的解,在线性系统和非线性系统的弱解和强解相对于滑移系数都是一致有界的2019年,Kirk等[11]提出了压阻混合非连续Galerkin法(pressure-robust hybridized discontinuous Galerkin method)证明了定常Navier-Stokes方程的速度误差估计与压力无关,此外,还表明速度和压力的估计都是最优的, 数值算例表明此方法是全局最优收敛的

本文基于分裂算法,采用Adams-Bashforth二阶时间离散格式[12]和IPDG空间离散格式来求解不可压Navier-Stokes方程需要指出的是,鉴于非结构网格模拟复杂区域上实际问题的最有效技术手段是建立DG求解框架,目前基于非结构网格实现Navier-Stokes方程问题的统一DG求解寥寥无几所以本文框架将LDG通量直接推广到区域,采用IPDG方法求解不可压Navier-Stokes方程,两端强加Dirichlet边界条件似乎破坏了最优收敛阶,但在实际计算中,避免精确计算这些内积,优化了算法实施和编程实现结果证实达到了最优阶收敛,且收敛到O(hN+1/2)

1 Navier-Stokes方程DG方法

二维不可压缩流体动力学Navier-Stokes方程描述的是瞬态、不可压、等温流动问题,其形式如下:

)u=-p+ν2u, xΩ

u=0,

其中u=(u,v)为速度的分量,p为标量压力场写成守恒通量形式为

·F=-p+ν2uu=0,

(1)

其中通量F

1.1 时间离散

考虑刚性稳定的时间步长法[12],将第n层到第n+1层每个时间步的推进分为3个阶段第一步,用Adams-Bashforth二阶格式对守恒律部分作显式积分计算预估速度;第二步,将更新的速度分量投影到弱散度为零的空间计算压力;第三步,黏性项用隐式格式处理更新中间速度,最后求解un+1

定义非线性函数N(u)=(Nx,Ny)=·F,则

Nx(u)=

(2)

第一步,用二阶Adams-Bashforth方法将其表示为

(3)

当系数γ0=0,α0=1,α1=0,β0=1,β1=0时,其格式降为向前Euler法,这与初始条件u0v0保持一致;对以后时间步长取γ0=3/2,α0=2,α1=-1/2,β0=2,β1=-1

第二步,压力投影步为了系统完备,我们寻求使得中间速度场的散度为零,来更新,即满足

(4)

在流出边界取Dirichlet压力边界条件;在流入边界取Neumann边界条件,即有

其中,Du/Dt=∂u/∂t+·F(u)为质量导数,wn×un是时间t=tn时的涡度再用更新中间速度场

第三步,对速度分量方程求解,即

2un+1

(5)

将对流方程(3)、压力投影方程(4)及黏性方程(5)相加,得

2un+1

1.2 空间离散

利用迎风DG方法来提高非线性对流方程(3)对流占优的稳定性,用内部惩罚DG方法处理压力投影方程(4)及黏性方程(5),可以避免单元间的混杂解跳跃

第一步,对非线性对流方程(3)选Lax-Friedrichs通量,利用迎风DG方法[12]

(φh,N)Ωk=(φh,INF(uh))Ωk+

uh)Ωk, ∀φhVh

(6)

其中被三角剖分成k个单元ΩkPN(Ωk)为定义在Ωk上的N阶多项式空间,跳跃为u流入边界条件由u+给定,INffN阶插值

第二步,对压力投影方程(4)利用内部惩罚方法[12]处理,记ΓDΓN分别为Dirichlet和Neumann边界条件,且ΓΩk中单元边界的集合,∂Ω=ΓDΓNΓ0=Γ\Ω,取内部惩罚通量为uh}}-τu对压力phVh,∀φhVh

φh·φh·phph}}·φhdΓ+

ph

φh·p0dΓ+

(7)

其中,惩罚因子[13]

第三步,对式(5)利用内部惩罚方法[12],对∀φhVh,速度的x分量uhVh满足如下方程:

φh·φh·uh

uh·τkdΩ-

(8)

速度的y分量vhVh满足如下方程:

φh·φh·vh

vh·τkdΩ-

(9)

2 数 值 算 例

2.1 时间依赖流

当非线性项与压力梯度相平衡,黏性项与动量方程的时间导数相平衡时,方程精确解为

u=-sin(2πy)e-ν·4π2tv=sin(2πx)e-ν·4π2t, p=-cos(2πx)cos(2πy)e-ν·8π2t

ν很小时,时间依赖流具有解析解,可以定量检验数值算法的稳定性和精度图1是时间依赖流的计算区域、边界条件及网格剖分[14]图2给出了ν=1/100, 1/1 000, 1/3 200, 1/5 000时时间依赖流的流线分布观察图2可知ν取不同值时,方腔涡流左、右下角均出现一级涡,且随着ν的减小,涡的尺寸在增加,原始涡流慢慢基本趋于方腔的几何中心ν=1/3 200时,方腔右下角既出现一级涡还出现了一个较小的次级涡;当ν=1/5 000时,方腔右下角除了一级涡外还出现了两个很小的次级涡;由此说明模拟结果可准确地捕捉方腔右下角出现次级涡的现象而表1表明当N=8时,由于时间误差的主导,使收敛阶为次优,当N为其他值时,几乎达到了最优收敛阶该算例验证了本文方法具有很好的稳定性和较高的计算精度

(a) 计算区域和边界条件(b) 网格剖分
(a) The calculation region and boundary conditions(b) Grid generation
图1 求解涡流问题示意图
Fig. 1 Schematic diagram for solving the eddy current problem


图2 不同黏性系数ν下时间依赖流的流线分布
Fig. 2 Streamline distributions of time-dependent flow under different viscosity coefficients ν

表1 涡流问题的不同逼近阶对应up最大节点误差及收敛阶

Table 1 Maximum u and p nodal errors of the vortex solution corresponding to different approximation orders

Nu errorhh/2h/4convergence orderp errorhh/2h/4convergence order18.4E-12.9E-15.4E-22.02.1E-05.4E-19.4E-22.227.4E-23.6E-21.0E-21.43.1E-18.8E-21.8E-82.031.2E-14.7E-35.6E-43.92.3E-11.6E-28.8E-44.041.0E-22.1E-34.5E-53.92.8E-24.1E-31.2E-43.951.8E-27.5E-53.0E-66.33.2E-23.3E-46.8E-66.166.0E-44.1E-51.7E-75.99.7E-46.7E-54.9E-75.571.4E-36.3E-74.5E-87.51.9E-33.9E-64.1E-87.781.8E-53.3E-72.7E-84.72.7E-55.4E-72.8E-85.0

2.2 圆柱绕流

考虑稍微复杂的流体问题,给出依赖时间的二维渠道流,在渠道中间有一圆形障碍物,此圆柱放置在偏离渠道中心线处,因此,一旦由零初始条件慢慢形成抛物型流时,就开始产生涡流初始时刻T=0,流体假设为零,流入边界条件为

流出边界假设压力为零因为此问题不存在解析解,定义圆柱的阻力系数为圆柱体上总力在水平方向分量,即

圆柱的升力系数为圆柱体上总力在垂直方向分量,即

其中为沿圆柱表面的外法向量,取压力差为Δp=p(-0.05,0)-p(0.05,0)图3是圆柱绕流的计算区域、边界条件及网格剖分图4给出了单元K=236,每个单元用N=10阶逼近非稳态圆柱流的模拟结果,将文献[15-16]的结果作为标准的基础进行比较,表2显示了识别最大升力与阻力及何时达到这些极大值

(a) 计算区域和边界条件
(a) The calculation region and boundary conditions

(b) 网格剖分
(b) Grid generation
图3 求解管道问题示意图
Fig. 3 Schematic diagram for solving pipeline problems

(a) x-速度 (b) y-速度
(a) The x-velocity (b) The y-velocity

(c) 压力 (d) 涡度
(c) The pressure (d) The vorticity
图4 非稳态圆柱流对应单元个数K=236, N=10阶的模拟结果
Fig. 4 Simulation results for K=236, N=10 in the unsteady pipe flow case

表2 圆柱管道流问题的最大升力、阻力系数及在t=8时的压力差

Table 2 Maximum lift, drag coefficients and final pressure drops in the pipe flow case for t=8

KNCdClΔp(t=8)11562.9530.497-0.11023682.9420.488-0.112236102.9550.479-0.112ref. [16]-2.9500.478-0.111

3 结 论

本文建立了一种求解二维Navier-Stokes方程黏弹流体流动的DG方法,采用非结构网格进行数值模拟,对于圆形障碍物,首先计算速度的梯度,再抽出在圆柱边上的速度,然后估计积分,最后计算出围绕圆柱的积分来估计升力及阻力然而对大型时间问题的模拟存在很多挑战,二阶微分算子的存在可引进很小时间步长,对不可压缩Navier-Stokes情形,采用半隐式时间积分可避免小步长问题

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A Discontinuous Galerkin FEM for 2D Navier-Stokes Equations of Incompressible Viscous Fluids

CHEN Yafei, ZHENG Yunying

(School of Mathematical Science, Huaibei Normal University,Huaibei, Anhui 235000, P.R.China)

Abstract: The incompressible Navier-Stokes equations are composed of the conservation law and the diffusion and constrained development equations. To test the numerical method, based on the unstructured grid, a discontinuous Galerkin scheme was established. The numerical results of the eddy current problem for different viscosity coefficients ν were discussed. The simulation results show that, the method has high precision and can solve the incompressible viscous fluid problem with moving interface, which makes the simulation boundary layer, the shear layer and the complex vortex solution be very effective, and the shock structure can be successfully extended to the numerical simulation of complex phenomena.

Key words: Navier-Stokes equation; discontinuous Galerkin finite element method; viscous flow

*收稿日期: 2019-12-24;

修订日期:2020-06-29

基金项目: 安徽省高校自然科学研究重大项目(KJ2018A0385)

作者简介:

陈亚飞(1992— ),女,硕士生(E-mail: 610556349@qq.com);

郑云英(1973— ),女,教授,博士(通讯作者. E-mail: zhengyunying@eyou.com).

引用格式: 陈亚飞, 郑云英. 不可压缩黏性流体的二维Navier-Stokes方程的间断有限元模拟[J]. 应用数学和力学, 2020, 41(8): 844-852.

中图分类号: O241.82

文献标志码:A

DOI: 10.21656/1000-0887.400379