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【6h】

配置点谱方法-人工压缩法(SCM-ACM)求解不可压缩流动问题的精度研究

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目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要工作及创新点

第2章 SCM-ACM方法介绍

2.1 人工压缩法ACM

2.2 配置点谱方法SCM

2.3 时间项离散格式

2.4 代码有效性验证

2.5 本章小结

第3章 SCM-ACM求解二维不可压缩流动问题的精度研究

3.1 数学方程

3.2 精确解构造

3.3 不同空间步长条件下SCM-ACM的计算精度研究

3.4 不同时间步长条件下SCM-ACM的计算精度研究

3.5 不同时间项离散格式条件下SCM-ACM的计算精度研究

3.6 本章小结

第4章 SCM-ACM求解三维不可压缩流动问题的精度研究

4.1 数学方程

4.2 精确解构造

4.3 不同空间步长条件下SCM-ACM的计算精度研究

4.4 不同时间步长条件下SCM-ACM的计算精度研究

4.5 不同时间项离散格式条件下SCM-ACM的计算精度研究

4.6 本章小结

第5章 SCM-ACM与其他计算方法的比较

5.1 求解二维不可压缩流动问题的比较

5.2 求解三维不可压缩流动问题的比较

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 对未来工作的展望

参考文献

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况

致谢

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摘要

数值方法是研究不可压缩流动问题的重要手段,开发高效高精度的数值方法是数值研究的重要方向。本文选取具有全域近似、指数收敛特性和高精度的配置点谱方法(spectral collocation method, SCM)离散控制方程,选取形式简单、易于收敛和操作方便的人工压缩法(artificial compressibility method, ACM)处理速度和压力的耦合问题,开发了SCM-ACM用于求解不可压缩稳态流动问题。
  第一,编写了SCM-ACM计算代码。建立了人工压缩格式的控制方程,采用SCM离散控制方程的空间偏微分项,推导出矩阵形式的代数方程,选取方腔顶盖驱动流为测试对象进行对比分析,结果表明,SCM-ACM继承了SCM的指数收敛特性,且具有ACM求解过程简单及易于实施的特点,能够用于求解不可压缩流动问题。
  第二,分析了SCM-ACM求解二维和三维流动问题的计算精度。分别构造了三组具有精确解的二维和三维方腔内不可压缩流动问题,三组流动问题的精确解形式分别为二次函数、三角函数和指数函数。采用SCM-ACM代码分别求解三组具有精确解的流动问题,研究不同空间步长、时间步长以及时间项离散格式条件下SCM-ACM的求解精度。研究结果显示,SCM-ACM求解流动问题的计算精度受空间步长、时间步长和时间项离散格式的影响,并与所求流动问题的边界条件相关。计算精度随网格节点数的增加和时间项离散精度的提高而增加,并在网格节点数增加到一定数目时趋于稳定。计算精度受时间步长的影响程度不大。
  第三,SCM-ACM与其他计算方法的比较。为了检验SCM-ACM的计算精度和计算效率,选取了常用的商业软件FLUENT和FLOTHERM进行比较。分别选取本文构造的具有精确解的二维和三维流动问题为计算对象,采用SCM-ACM、FLUENT和FLOTHERM分别对构造的具有精确解的流动问题进行求解。比较结果显示,相同计算条件下,SCM-ACM对二维和三维流动问题求解的精度最高、耗时最少。
  本文开发的SCM-ACM程序具有精度高、收敛快且形式简单、操作方便的特点,为不可压缩流动问题的求解提供了一种更好的选择。

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