基于多矩的有限体积浸入边界法研究

浸入边界法（Immersed Boundary Method）是计算流体力学中求解具有复杂、移动边界流动问题的一类有效途径，该方法在笛卡尔坐标系上离散求解流体控制方程，并通过在控制方程中添加相应源相来代表浸入边界。尽管浸入边界法借助其简单、高效的显著特点在计算流体力学应用中显示出极强的生命力，特别是针对复杂的实际流动及动边界流动问题有着无可比拟的优势，但仍有许多问题需要进一步的研究。 本论文基于浸入边界方法及多矩VSIAM3（Volume/Surface Integrated Average Multi-Moment Method）格式提出了一种不可压缩流体求解数值格式。不可压N-S方程使用VSIAM3格式进行法进行离散，引入浸入边界法处理复杂、移动流动边界条件，使用虚拟网格方法计算动量方程修正项，同时还考虑了对连续方程的修正。VSIAM3格式是一种基于多矩的有限体积法，在方程的离散中总是使用两种或两种以上的矩，如：VIA（Volume Integrated Average）和SIA（Surface Integrated Average）。而不同的矩在求解过程中依据不同形式的控制方程使用不同的离散方法进行更新。VSIAM3格式更多的局地自由度及同时使用交错网格和同位网格的特点使浸入边界法的实施更加便利、高效。研究中，浸入边界法不仅应用于处理动力边界条件，同样可以处理热动力边界条件。 研究中对大量经典算例进行了数值实验，包括一维线性初始问题、方腔流问题、二维绕静止及振荡圆柱流动、三维绕球流动及热对流问题等。数值结果同实验值及其它计算结果保持一致，该算法可准确、高效处理具有复杂、移动边界及存在热对流的不可压流动问题，为实际应用打下了基础。