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边界条件设定

在三维惯性坐标系中,欧拉框架下任意物质属性可以写成如下控制方程(我们采用守恒型,以支持最一般的情况):

其中为流体的速度

时间偏导数的重新理解

上述方程中的时间偏导数的意义是,固定空间位置进行的求导,这一点对于欧拉求解发非常重要,因为我们可以将物质属性的变化率分解为固定到空间(网格)的变化率和对流引起的变化率的叠加(这就是物质导数的意义)。
但是当参考系本身发生变化时,比如MRF或者动网格,如果我们需要继续在单元上计算其时间偏导,由于单元本身是运动的,则会与惯性系的计算结果引起额外的差别,该差别如下:

其中为随体单元的速度。 则定义在单元随体坐标系上的一般化的NS方程为:

或者

上述方程为一般意义上的随体微分方程

有限体积随体积分离散

考虑到

同时考虑到

则:

则随体积分方程为:

随体单元上的动量方程

代入

动量方程的边界条件:

为了推导不同边界的条件,我们先定义速度在随体坐标系中的导数(速度可以为相对速度或者绝对速度),将其称为随体加速度

随体加速度计算

我们定义

是流体速度在随体坐标系中加速度,,当U为相对系中的速度时,对于某些运动规律,我们很容易得到其加速度,但是绝对系中的速度,我们容易知道其在绝对系中的加速度.我们一般采用如下方式进行转换:

对于任意矢量,其在不同的坐标系中的导数存在如下关系,参考这里给出的结论,本质上是坐标基的变化。

将动量方程沿着法向投影,对流项考虑不可穿透性,为0,并忽略粘性项,则得到压力的法向梯度为:

无滑移壁面

对于无滑移壁面,物质点随着单元运行,若采用相对速度,则, 若采用绝对速度,,其中可以按照给定的壁面速度计算出来。

  • 比如做圆周运动的壁面,采用惯性坐标系以及相对速度计算,壁面速度,对应加速度为,体积力为0,则压力法向梯度为
  • 比如做圆周运动的壁面,比如MRF相对速度计算,则壁面速度为0,则壁面加速度和科式加速度为0,但离心力不为0,,.可得到压力法向梯度为. 若离心力处理为势,则压力法向梯度为0,但势的梯度会补偿回来,真实压力的梯度依然是正确的。
  • 比如做圆周运动的壁面,比如MRF绝对速度计算(无离心力和科式力),则体积力附加加速度为(参考这里的推导,在相对系中采用绝对速度的方程,其中多出来的=),同时壁面的绝对速度在绝对系加速度为。则
  • 再比如静止的流体,如果我们采用MRF相对速度计算,则壁面速度不为零,与旋转系相反得速度, 则壁面加速度为,同时离心力加速度为,科式加速度为。三者之和为0,是符合预期得。
  • 再比如静止得流体,如果我们采用MRF绝对速度计算(无离心力和科式力),则壁面速度为零,则体积力附加加速度为0。同时绝对速度在绝对坐标系中的加速度.

出口边界

对于出口边界,一般会给定压力边界,对于速度,我们在随体坐标系中给定0梯度(需要进一步论证),当回流发生时,我们限制其法向速度为0,并将压力改为梯度边界,此梯度计算方式于壁面类似

  • 采用绝对速度,附加加速度为. 可以看出附加加速度和wxU相互抵消了。而a_I需要某种方式获得,对于充分发展的流动,我们可以认为为0.
  • 采用相对速度,附加加速度为。 需要引入科式力,//TODO 但是目前我们没有把这部分整合到snForce里面

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