van Leer的故事

Van Leer 原先同Roe关系非常的好。后来Roe发表了著名的后来用他名字命名的Roe格式,Van Leer就有点座不住了。因为他一直相信他比Roe高明那么一点点。于是他决心超过Roe。当时迎风格式在应用上有两个发展方向,一个是Roe格式为代表的通量差分分裂类型,令一个就是矢通量差分类型,典型代表就是Steger-Warming格式。很快van Leer找到了突破口,他注意到Steger-Warming格式有个不大不小的缺陷,通量分裂是不可微的,这在计算激波时候,有可能发生过冲现象。于是 van Leer对此做了一番改造,提出了一个满足可微条件的分裂。van Leer兴高采烈地投到杂志社,然而令他失望的是,杂志社把他给拒绝了。他可受不了了,于是自己掏钱,飞到西伯利亚,向Godunov求教。Godunov看过后大加赞赏。这下可乐坏van Leer。既然老大首肯了,谁还敢说不字,这篇文章顺利出版。后来这个格式就用van Leer本人的名字命名并流行起来,终于,他还是跟Roe平起平坐了。

Godunov 的故事

Godunov大家都晓得吧,迎风类型格式的开山鼻祖。二十世纪CFD的数值方法基本上是沿着他老人家开创的Godunov类型格式的方向发展。连如今大姥级的Roe,van Leer 都要发文章pmp,毕竟他们都是靠着老大发家的嘛。他座上老大宝座的屠龙刀-Godunov格式,实际上是1954年他25岁时候的博士论文。老板上课时候曾经讲,当时不知道为啥他得罪了苏维埃政府要砍他的头,于是他一着急,弄出了这把屠龙宝刀,拣回了小命(不过这个传闻,我没有找到相关的文献得以证实,好在我相信偶老板读的书比我多,二来嘛本来就是八卦系列也无所谓了)。

Steven A. Orszag的故事

Steven A. Orszag是一个天才级别的人物啦。在直接数值模拟,谱方法,湍流模型等等许多方面都有开创性的贡献。天才嘛,总是有缺陷的,不是生活不能自理,就是不懂得处理人际关系。前者还好办,只是lp不舒服,后者嘛,让同事和同行不舒服,可麻烦就大了。不幸的是,Orszag属于后者。对于他的恃才傲物,有人早就恨得牙根痒痒,报复的机会终于来了。

Jameson 的故事

Jameson 的全名是 Antony Jameson,个人页面 http://aero-comlab.stanford.edu/jameson/。他是当今 CFD 界的超级大牛。Jameson是个英国人,出生在军人世家。从小随老爹驻守印度。于是长大了也抗起枪到海外保卫日不落帝国,军衔是Second Lieutenant。无奈“日不落”已落,皇家陆军已经不需要他了。大概有什么立功表现把,退役后就直接进了剑桥大学。在那里拿到博士学位。辗转间从英国来到了美国,从工厂又到了学校。成了 Princeton 的教授。在那里提出了著名的中心差分格式和有限体积法。就是在这里,发表了他那篇著名的中心差分离散的有限体积法。中心差分格式,大家都知道,是二阶,但是稳定范围特别小,Pe 不能超过 2,于是就得加人工粘性(一听这名字,数学家就倔嘴巴,不科学嘛),这是大学生都知道的事,怎么加就是学问了。Jameson 用二阶项做背景粘性,用四阶项抑制激波振荡(也亏他想得出来),配合他提出的有限体积法,获得了极大的成功,很快风靡世界,工程界几乎无一例外在使用他的方法,原因很简单,他的方法乐百氏,而且又有相当精度。

CFD/FM 推荐书籍

CFD 基础:

H. Versteeg, W. Malalasekra. An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method (2nd Edition). Prentice Hall, 2007

F. Moukalled, L. Mangani, M. Darwish. The Finite Volume Method in Computational Fluid Dynamics: An Advanced Introduction with OpenFOAM® and Matlab. Springer International Publishing, 2016

张量分析:

James G. Simmonds, A Brief on Tensor Analysis.Springer, 1994

参考

[1] 那些年为学CFD读过的英文书籍. http://blog.sina.com.cn/s/blog_599d8faa0102wnhu.html, retrieved on 2017-06-20

非常有用的 CFD/ Fluid Mechanics 资源

Courses 课程

MIT 高等流体力学课程

瑞典 Chalmers 大学 硕士/博士研究生 CFD 课程,MSc/PhD course in CFD with OpenSource software

密歇根大学:连续介质物理,Lectures on Continuum Physics, instructed by Krishna Garikipati

Websites for general CFD 网站

CFD online

流体中文网

y+ 估值与第一层网格高度

在 CFD 分析划分网格时,通常需要利用 y+ 值来估计第一层网格高度。

首先,需要计算雷诺数 (Reynolds Number):
$$Re=\frac{\rho U L}{\mu}=\frac{UL}{\nu}$$

再估计表面摩擦系数,可利用在 CFD Online 上列出的公式,如 Schlichting 表面摩擦系数:
对于雷诺数小于 109 时,$C_f=(2\log Re-0.65)^{-2.3}$

进一步,计算表面剪切力
$$\tau_w=C_f\frac{1}{2}\rho U^2$$

接下来计算摩擦速度
$$u_\ast=\sqrt{\tau_w/\rho}$$

最后计算 第一层网格高度
$$y=\frac{y^{+}\mu}{\rho u_\ast}$$

kOmegaSST 模型

kOmegaSST (k-ω Shear Stress Transport) 模型

耗散方程 $ \frac{\partial}{\partial t}{\rho \omega} = \div \left( \rho D_\omega \nabla \omega \right) + \frac{\rho \gamma G}{\nu} - \frac{2}{3} \rho \gamma \omega \left( \nabla u \right) - \rho \beta \omega^2 - \rho \left(F_1 - 1\right) C\nabla_{k\omega} + S_\omega$

湍动能方程 $ \frac{\partial}{\partial t}{\rho k} = \nabla \left( \rho \nabla_k \nabla k \right) + \rho G - \frac{2}{3} \rho k \left( \nabla u \right) - \rho \beta^{*} \omega k + S_k$

kOmega 模型

kOmega (k-ω) 模型是 CFD 计算中常见的一种湍流模型。是作为雷诺平均 NS 方程 (RANS) 的封闭模型。

$$ \frac{\partial (\rho k)}{\partial t} + \frac{\partial (\rho u_j k)}{\partial x_j} = \rho P - \beta^* \rho \omega k + \frac{\partial}{\partial x_j} \left[\left(\mu + \sigma_k \frac{\rho k}{\omega} \right)\frac{\partial k}{\partial x_j}\right], \qquad \text{with } P = \tau_{ij} \frac{\partial u_i}{\partial x_j}$$

kEpsilon 湍流模型

kEpsilon (k-ε) 湍流模型是计算流体力学中应用最为广泛的一种湍流模型。它通过两个方程来描述湍流运动。其中一个方程是关于湍流的动能 (k),而另一个则是关于湍流的耗散 (ε),即湍流动能的耗散率。

不同于早期的湍流模型,如混合长度模型,k-ε 模型集中解决影响湍流动能的影响因子。k-ε 模型最基本的假设是湍流粘度是各向同性的,也就是说,雷诺应力与平均变形速率之比在各个方向上是相同的。

真正的 k-ε 模型包含了很多变量和不可测量的因子,为提升实用性,通常使用标准 k-ε 模型 (Launder and Spalding, 1974[2]),它最大程度上地减小了未知量,现大量用于湍流的计算。

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