槽道流CFD结果与理论解对比

理论

理论参考文献
对于槽道流,理论上近壁面时均速度为线性分布,远离壁面处为对数分布
在这里插入图片描述
在对数区,有两个未知参数,两个人标定了不同的两组数据。
在这里插入图片描述
可以看出还是有一定区别的。

CFD验证

CFD有两组数据,一组是pisoFoam跑的,摩擦雷诺数精确为180.
另一组是buoyantPimpleFoam跑的,固定Reb=10^3.75
两组数据网格不太一样

其结果如下
在这里插入图片描述
图中的线采取的参数为k=0.40,B=5.5.
可以看出蓝线更接近实验标定值,红线有点偏离,不知道这个误差能不能接受。

在这里插入图片描述
这个图来自JFM论文,其中ST是标准槽道流,可以看出其与直线的误差也挺大,但是这里的k和B似乎是两组参数的组合。。。不知道是笔误还是就是这样。

code

% semilogx(y_hk,umean_hk)
% hold on
% semilogx(y(1:78),Uy(1:78))
% hold on
Ua = [];
for i = 1:length(y_hk)
    if y_hk(i)>10.8
        Ua(i) = log(y_hk(i))/0.4+5.5;
    end
    if y_hk(i)<10.8
        Ua(i) = y_hk(i);
    end
end
semilogx(y_hk,Ua)
hold on
Ua = [];
for i = 1:length(y_hk)
    if y_hk(i)>10.8
        Ua(i) = log(y_hk(i))/0.41+5;
    end
    if y_hk(i)<10.8
        Ua(i) = y_hk(i);
    end
end
semilogx(y_hk,Ua)
axis([1e-2 1e3 0 25])
源码地址: https://pan.quark.cn/s/3916362e5d0a 在C#编程平台下,构建一个曲线编辑器是一项融合了图形用户界面(GUI)构建、数据管理及数学运算的应用开发任务。 接下来将系统性地介绍这个曲线编辑器开发过程中的核心知识点:1. **定制曲线面板展示数据曲线**: - 控件选用:在C#的Windows Forms或WPF框架中,有多种控件可用于曲线呈现,例如PictureBox或用户自定义的UserControl。 通过处理重绘事件,借助Graphics对象执行绘图动作,如运用DrawCurve方法。 - 数据图形化:通过线性或贝塞尔曲线连接数据点,以呈现数据演变态势。 这要求掌握直线与曲线的数学描述,例如两点间的直线公式、三次贝塞尔曲线等。 - 坐标系统与缩放比例:构建X轴和Y轴,设定坐标标记,并开发缩放功能,使用户可察看不同区间内的数据。 2. **在时间轴上配置多个关键帧数据**: - 时间轴构建:开发一个时间轴组件,显示时间单位刻度,并允许用户在特定时间点设置关键帧。 时间可表现为连续形式或离散形式,关键帧对应于时间轴上的标识。 - 关键帧维护:利用数据结构(例如List或Dictionary)保存关键帧,涵盖时间戳和关联值。 需考虑关键帧的添加、移除及调整位置功能。 3. **调整关键帧数据,通过插值方法获得曲线**: - 插值方法:依据关键帧信息,选用插值方法(如线性插值、样条插值,特别是Catmull-Rom样条)生成平滑曲线。 这涉及数学运算,确保曲线在关键帧之间无缝衔接。 - 即时反馈:在编辑关键帧时,即时刷新曲线显示,优化用户体验。 4. **曲线数据的输出**: - 文件类型:挑选适宜的文件格式存储数据,例如XML、JSON或...
的 Orr-Sommerfeld(OS)方程是研究体稳定性的重要方法之一。该方程描述了在平行剪切中,小扰动的演化行为[^1]。数值求 OS 方程通常采用谱方法或有限差分法,其中 Chebyshev 谱方法因其高精度而被广泛使用。 ### 1. Orr-Sommerfeld 方程的形式 对于二维不可压缩动,Orr-Sommerfeld 方程可以写为: $$ \left( \frac{d^2}{dy^2} - \alpha^2 \right)^2 \phi = \frac{1}{i \alpha Re} \left[ \left( U(y) \left( \frac{d^2}{dy^2} - \alpha^2 \right) - U''(y) \right) \left( \frac{d^2}{dy^2} - \alpha^2 \right) \phi \right] $$ 其中: - $ \phi(y) $ 是扰动函数, - $ U(y) $ 是基本的速度剖面(例如中的抛物线速度分布), - $ \alpha $ 是向波数, - $ Re $ 是雷诺数, - $ i $ 是虚数单位。 ### 2. 数值方法的选择 常用的方法包括: - **Chebyshev 配点法**:将表示为 Chebyshev 多项式的线性组合,并在 Gauss-Lobatto 点上离散化微分算子。 - **有限差分法**:对空间导数进行离散化,适用于简单几何结构和边界条件。 - **谱配置法结合矩阵特征值求器**:将微分方程转化为矩阵特征值问题,使用标准库如 LAPACK 或 ARPACK 求。 ### 3. 边界条件 对于(Poiseuille ),边界条件通常为无滑移边界条件,即: - 在上下壁面处,$ \phi(\pm 1) = 0 $ 和 $ \phi'(\pm 1) = 0 $。 这些边界条件需要通过构造合适的基函数或在矩阵中施加约束来实现。 ### 4. 构造离散形式 使用 Chebyshev 谱方法时,首先构造二阶导数矩阵 $ D^{(2)} $,然后构建四阶导数矩阵 $ (D^{(2)} - \alpha^2 I)^2 $。接着将方程转换为广义特征值问题: $$ A \mathbf{\phi} = c B \mathbf{\phi} $$ 其中 $ A $ 和 $ B $ 是由速度剖面 $ U(y) $、导数矩阵及参数 $ Re, \alpha $ 构建的系数矩阵,$ c $ 是复数相速度。 ### 5. Python 示例代码 以下是一个简化的 Python 实现示例,使用 `scipy` 和 `numpy` 进行 Chebyshev 配点法求: ```python import numpy as np from scipy.linalg import eig from scipy.sparse import diags from scipy.sparse.linalg import eigs def cheb(N): if N == 0: D = 0 x = 1 return D, x x = np.cos(np.pi * np.arange(N+1)/N) x.shape = (N+1, 1) c = np.r_[2, np.ones(N-1), 2] * (-1)**np.arange(N+1) c.shape = (N+1, 1) X = np.tile(x, (1, N+1)) dX = X - X.T D = np.outer(c, 1./c) / (dX + np.eye(N+1)) # off-diagonal entries D = D - np.diag(D.sum(axis=1)) # diagonal entries return D, x def os_matrix(N, alpha, Re): D, y = cheb(N) D2 = D @ D diag_alpha2 = diags(-alpha**2 * np.ones_like(y).flatten()) L = D2 + diag_alpha2 U = 1 - y**2 # Parabolic base flow for channel flow Uyy = -2 * np.ones_like(y) A = L @ L B = diags(U.flatten()) @ L + diags(Uyy.flatten()) @ D A = A[1:-1, 1:-1] # Remove boundary points B = B[1:-1, 1:-1] return A, B def solve_os(N=64, alpha=1.0, Re=1000): A, B = os_matrix(N, alpha, Re) vals, vecs = eigs(A, M=B, k=10, which='SM') return vals # Solve and print eigenvalues eigenvalues = solve_os() print("Eigenvalues:", eigenvalues) ``` ### 6. 后处理与分析 得到的特征值 $ c $ 是复数,其实部代表扰动的增长率,虚部代表频率。若存在特征值的虚部为正,则表明系统不稳定。 ---
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