貼體坐標系

貼體坐標系

貼體坐標系(Body-Fitted Coordinates,簡稱BFC)是近些年來發展起來的一種網格坐標系統。它能使網格邊界與具有複雜幾何形狀的固體表面相吻合。

貼體坐標系介紹


貼體坐標有如下優點:
(l)能適用於具有複雜幾何形狀的積分區域:
(2)能夠在近固壁處布置較密網格,以適應近壁區參數變化劇烈的求解要求,較準確地體現固壁對流場的影響:
(3)使網格線與流線的方間一致或接近,可以減少一些常用差分格式(如線性上風格式)的數值擴散誤差。
基於貼體坐標系的以上優點,雖然採用貼體坐標會使微分方程和數值方法複雜化,但是仍被廣泛應用。

主要構造


貼體坐標系的構造是通過坐標變換來實現的,通常有兩種方式,採用代數關係式或求解微分方程。求解Laplace微分方程的計算較為複雜,但是構造的網格曲線光滑,適應性好,更適用於變化劇烈的不規則流域。如果要調整網格的疏密程度,且不限制網格正交性,則可以通過求解Poisson方程來生成網格。本文便採用這種方法,把曲線坐標看作是物理平面(上 Poisson方程的解。這樣可以得到真實的物理特性,且湍流場有相當好的收斂。
Spalding認為,曲線坐標網格系統可以看作直角坐標網格系統的收縮和扭曲,所謂構造麯線網格坐標系統就是要給出所有網格邊界交點的坐標,對於三維坐標而言,就是要捉供3x(nx+1)x(ny+1)x(nz+1)個格點坐標數據,這裡nx、ny、nz分別表示x、y、z方向上的網格數。對於不同結構形式的燃燒室,網格數是不同的。
一般來說,物理域的邊界形狀越複雜,布置計算網格時可供選擇的方案也越多。當網格由物理域映射到計算域時,要考慮到網格的扭曲情況與特定流動解的要求。局部網格的扭曲要對整個解的精度影響較小,扭曲的網格應盡量位於均勻流動區域或流動性能不很關鍵的區域。在多維問題中,當流速與網格線傾斜交又時,會發生垂直與主流方向的數值擴散,影響計算的精度。因此,正確布置貼體網格是計算成功的前提條件。
當然,坐標變換帶來的積分區域的簡化是有代價的,這就是微分方程必須轉化到新的曲線坐標系中。