高精度有限體積格式在三維曲線坐標系下的應用*

徐　丹，王東方，陳亞銘，鄧小剛

(1.國防科技大學 航天科學與工程學院， 湖南 長沙　410073； 2.國防科技大學 理學院， 湖南 長沙　410073)

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高精度有限體積格式在三維曲線坐標系下的應用*

徐丹1，王東方1，陳亞銘2，鄧小剛1

(1.國防科技大學 航天科學與工程學院， 湖南 長沙410073； 2.國防科技大學 理學院， 湖南 長沙410073)

摘要：為了構造在光滑區具有較高分辨率并且可以無振蕩捕捉激波的高精度有限體積格式，同時降低格式在模板選擇上遇到的困難，基于逐維重構方法，發展了結構網格下的高精度有限體積格式，并將這一格式推廣到三維曲線坐標系下，從而可以適應相對復雜外形下的計算。為充分驗證格式的有效性，選取一系列典型算例進行計算：在等熵渦輸運和二維噴管流動中驗證了格式的精度可以達到設計精度；在雙馬赫反射問題中格式也表現出良好的捕捉激波的能力。數值計算表明，上述格式在曲線網格上具有較高的數值精度和魯棒的激波捕捉能力，適用于流體力學方程的計算。

關鍵詞：有限體積方法；高精度格式；曲線坐標系；逐維重構方法

憑借良好的數值特性和穩定性，有限體積方法被廣泛應用于計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)研究，并被大部分商業軟件采用。但是基于此方法的大部分應用和軟件都僅限于2階精度[1]，而隨著計算氣動聲學、大渦模擬、直接數值模擬應用的興起，高精度格式成為發展趨勢。

對于有限體積方法，高精度格式主要依賴于有效無振蕩(Essentially Non-Oscillatory，ENO)和加權有效無振蕩(Weighted Essentially Non-Oscillatory，WENO)的重構方法。Abgrall[2]，Harten和Chakravarthy[3]，Sonar[4]分別將ENO應用于非結構網格下的有限體積方法。將ENO選擇最光滑模板的方法發展為不同模板的非線性加權是WENO格式的基本構造思想。Friedrich[5]最早將WENO應用于非結構網格，但是沒有實現最優化，這一工作由Shu等[6]完成。Tsoutsanis等[7]則在三維非結構網格的基礎上，研究了任意混合網格的計算方法。最近Groth等[8]發展了一種同樣基于光滑度測試的中心有效無振蕩(Central Essentially Non-Oscillatory，CENO)格式，并分別用于結構、非結構網格。盡管CENO格式中并沒有涉及多模板選擇，但仍因其具有ENO特性而命名。

盡管基于ENO/WENO發展了眾多的高階有限體積算法，但是直接在物理空間上執行，特別是在非結構網格上，仍存在較大的問題，尤其是在高階多維重構中存在模板選擇困難，這將嚴重增加算法和代碼的復雜性，并消耗大量的CPU和內存資源，從而無法應用于實際問題的計算。為解決這一問題，一個有效的方法就是在曲線網格下執行有限體積方法。此時需要使用結構網格，盡管靈活性會受到一定的影響，但是可以使用標準的多維重構方法，從而有效降低對計算機內存和CPU的要求。Casper等[9]較早討論了將高階ENO格式應用于結構網格的方法，并詳細討論了有限體積下的多維重構。Titarev和Toro[10]給出了三維條件下的多維重構方法，但僅限于笛卡爾網格。

本文以首個應用于臨床的KATP開放劑尼可地爾為研究藥物，構建高表達瑞典突變型淀粉樣前體蛋白的神經母細胞瘤細胞作為AD的體外細胞模型，研究尼可地爾對AD細胞模型氧化應激和Aβ生成的影響，并探討PI3K/AKT/GSK-3β通路在尼可地爾參與氧化應激、Aβ生成調節中的可能分子機制。

為進一步提高高精度有限體積方法的使用范圍，將基于逐維重構的高精度有限體積格式推廣到曲線坐標系，使格式在保持較高精度和激波捕捉能力的基礎上，適應相對復雜外形下的計算。通過數值算例，驗證格式的精度和對流場間斷的分辨能力。

1曲線坐標系下的有限體積方法

考慮三維條件下的雙曲守恒系統：

將真菌測得ITS rDNA序列以及放線菌16 S rDNA與GenBank數據庫中已有的序列進行BLAST比對。結果證明菌株YX-25與Alternaria sp. 的同源性最高為99%。結合已觀察到的菌落特征，鑒定為Alternariaalternate。菌株YX-32與Streptomyces sp. 的同源性最高為100%。結合已觀察到的菌落特征，鑒定為Streptomycesexfoliatus，見圖6、7。

(1)

經過坐標變換(x,y,z)→(ξ,η,ζ)可得：

(2)

網格導數在三維條件下存在多種等價的解析形式，但離散條件下各種表達式的數值表現卻有很大差別。使用Deng等[11]在對稱守恒網格導數計算方法(Symmetrical Conservative Metric Method, SCMM)中導出的對稱守恒形式計算網格導數，如式(9)～(11)所示：

(3)

經過坐標變換，方程中出現網格導數和雅克比。對于靜止網格，在曲線網格控制單元Iijk=[ξi-1/2,ξi+1/2]×[ηi-1/2,ηi+1/2]×[ζi-1/2,ζi+1/2]內對控制方程式(2)進行積分，可以得到如式(4)所示關系：

(5)

(6)

1.1逐維重構方法

曲線網格的一個重要優勢就是可以在計算空間中通過逐維重構計算Gauss點處的QL和QR，而實際應用證明逐維重構是較為簡單和節約計算時間的方法，其本質就是在計算Gauss點值時進行多次重構，但每次重構都等價于一維重構。接下來給出這一重構方法的簡要說明。

其中：α，β代表η和ζ方向的Gauss點；Kα和Kβ為相應的權系數。那么有限體積方法構造的關鍵就在于如何得到Gauss點處的QL，QR以及相應的網格導數和雅克比。

(3) 土地開發度：車站周邊土地開發強度越高，各種用地性質種類(居住、商業、辦公和休閑服務等)越多，線路全日客流的強度就越有保障。本文通過統計車站周邊600 m范圍內的建筑面積，計算周邊用地混合度得到每個車站的折算系數，然后將兩者相乘得到車站周邊土地開發度指標。

師：我們看出，有些立體圖形的表面包含著一些平面圖形．反之，我們也可以利用這些平面圖形來描述立體圖形．請觀察手中的四棱錐模型，描述四棱錐的特征．

(7)

由表2可知，反應時間短，鐵和硅含量指標明顯偏高，隨著反應時間的延長，鐵和硅含量的急速下降，到2.5h以后，鐵和硅含量變化趨于穩定。考慮工作時間效率，最佳反應時間為2.5h。

加強對蔬菜種植戶的科技培訓，按農時季節和生產需要及時分鄉（鎮）分村劃片開展各類培訓，經常深入設施溫室大棚集中區進行現場咨詢和指導，為廣大菜農提供更好的信息和技術服務，提高菜農科學種菜水平和農產品質量安全意識，提高設施蔬菜生產銷售的整體水平。建立蔬菜市場價格信息網絡，及時提供市場信息，指導蔬菜生產和市場銷售。

(8)

1.2網格導數和雅克比計算方法

2.2二維噴管流動

式中：

然后，利用面元平均值重構得到Gauss點所在沿ζ方向線元上的平均值：

(9)

(10)

(11)

根據積分變換定理可得：

(12)

當假設Q在空間分布為常數時，式(12)可以簡化為：

(13)

2算例驗證

通過對二維、三維算例的計算，驗證文中發展的高精度有限體積格式的精度和對激波的捕捉能力。

2.1等熵渦輸運

為在曲線網格下驗證有限體積格式，本算例中使用波形網格，其可以在均勻網格的基礎上通過式(15)得到：

(15)

其中：n=4，A=0.4；L0為計算域的總無量綱長度；j,k,l為網格點坐標索引；x0,y0,z0為對應的坐標值；Δx0，Δy0，Δz0表示均勻網格長度，且滿足Δx0=Δy0=Δz0。初始流場為等熵渦：

圖1中給出了三維網格以及渦輸運一個周期后的速度u分布。從圖中可以看出，渦結構得到了很好的保持。考慮三維條件下計算量的限制，在二維條件下對這一問題進行了精度測試，表1給出了不同網格下速度v誤差的L1范數及計算得到的格式精度。從表中可以看出，在曲線網格下，本文發展的有限體積格式達到了設計的5階精度，對于光滑流場具有較高的分辨率。

(a)三維網格(a) Three-dimensional grid

(b)速度u等值線(b) Distribution of velocity u圖1　三維等熵渦輸運網格和計算結果Fig.1　Grid and numerical result in the three-dimensional isentropic vortex transport problem

網格誤差精度40×401.020E-0480×809.129E-063.48120×1201.389E-064.64160×1603.416E-074.87240×2404.622E-084.93

（2）熱料冷補。熱料冷補技術施工時先將坑槽病害處舊路挖除并清理潔凈，然后添加新瀝青混合料并整平壓實。該技術施工成本較低，適合大面積開展且修補效率較高，但存在弱接縫，受天氣影響大，無法對病害進行及時快速修補。

為了進一步驗證格式在管道流動中的模擬能力，選取Euler方程控制的等熵二維噴管流動進行計算。Casper等[13]最早對這一問題進行了研究。在本文中使用C3外形，中間段的形狀通過式(17)擬合：

(17)

此算例中包含亞聲速入口、出口及滑移邊界條件。圖2為噴管外形和網格示意圖。

圖2　二維噴管外形和網格Fig.2　Configuration and mesh used in the two-dimensional channel flow

圖3給出了計算得到的流場壓力，從圖中可以看出壓力分布對稱。表2中給出了流場熵誤差的L1范數和計算得到的格式精度。從表中可以看出，由于在邊界處格式的精度要適當降低，總體精度略小于5.0，但格式仍可以保持較高的數值精度，這表明本文使用的格式在管道流動中也有較好的效果。

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圖3　二維噴管流動壓力分布Fig.3　Distribution of the pressure in the two-dimensional channel flow

網格誤差精度15×102.141E-0330×205.439E-055.3045×301.010E-054.1560×402.889E-064.3590×604.642E-074.51

2.3雙馬赫反射

為了考核高精度有限體積格式在激波捕捉方面的能力，對雙馬赫反射問題進行了計算。算例的計算域為[0,4]×[0,1]，反射位置從下壁面1/6處開始，初始時刻馬赫數為10的右行激波位于(1/6,0)，并與壁面成60°角。上邊界條件設為精確的激波移動條件，整個數值計算進行到t=0.2。

一般雙馬赫反射問題都在笛卡爾網格下計算，但為了測試本文中高精度有限體積格式在曲線網格下的應用，同時在隨機網格上進行了計算。隨機網格的生成方法是在笛卡爾網格的基礎上對網格坐標增加一個隨機量。這一過程由Fortran程序控制，但不會超過當地步長的20%。文中使用240×60的計算網格。圖4中分別給出了笛卡爾網格和隨機網格下的計算結果。從圖中可以看出，兩種網格下的計算結果基本相同，并且格式都很好地捕捉到了激波結構。這表明本文中使用的高精度有限體積格式同樣具有很好的激波捕捉能力。

展開部長達120個小節（第95至214小節），在g小調上開始，使用了主部的主題材料。經過一系列的離調（a小調、d小調、c小調、降b小調）之后，在第150小節上，以降b小調出現了“假再現部”。然后在第161小節持續強調低音的降B音，右手則以半音上升，達到升G音，形成增六和弦，以不斷增強的力度，強力返回到d小調的屬和弦，為再現部的出現作準備。尾聲之前再次出現類似手法，第323小節起，貝多芬不斷地重復一個短小的音型，先是g小調，然后a小調，在第335小節，低音A持續了整整十六個小節，漸弱至pp，突然以ff返回主題，進入尾聲，其效果極其富有戲劇性。

“這種事連我都不信，你們還當真了。”一向自詡為愛和正義化身的夏霖聽到這個傳聞后就開始懷疑真實性。在同學們眼中，夏霖一直是個中二少女，但看過上百本奇幻小說的她卻覺得自己是個魔法少女，天不怕地不怕。于是，她決定去現場一探究竟。

(a)笛卡爾網格下計算結果(a) Result on Cartesian grid

(b)隨機網格下計算結果(b) Result on randomized grid圖4　雙馬赫反射計算結果Fig.4　Results in the double Mach reflection problem

3結論

將基于逐維重構方法的高精度有限體積方法推廣到三維曲線坐標系，討論了曲線坐標系下的重構方法和網格導數、雅克比的計算方法。通過渦輸運算例和噴管流動算例的計算，證明格式可以實現設計的精度，具有較高的空間分辨率。在雙馬赫反射算例中，一方面驗證了格式具有良好的激波捕捉能力，另一方面也表明格式具有較強的網格適應能力，在隨機網格上也可以得到較好的數值結果。在接下來的工作中，將考慮實現黏性項處理的高精度，從而將格式推廣到NS方程的計算。

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doi:10.11887/j.cn.201602010

*收稿日期：2015-09-19

基金項目：國防科學技術大學科研計劃資助項目(ZDYYJCYJ20140101)

作者簡介：徐丹(1987—)，男，山東威海人，博士研究生，E-mail：13786146863@163.com；鄧小剛(通信作者)，男，教授，博士，博士生導師，E-mail：xgdeng2000@vip.sina.com

中圖分類號：V211.3

文獻標志碼：A

文章編號：1001-2486(2016)02-056-05

High-order finite volume schemes in three-dimensional curvilinear coordinate system

XU Dan1, WANG Dongfang1, CHEN Yaming2, DENG Xiaogang1

(1. College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China;2. College of Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract：In order to develop a high-order finite volume scheme, which can perform with high fidelity in smooth regions, capture the discontinuities without oscillation, and overcome the difficulty in choosing stencils, a high-order finite volume scheme on structure meshes was developed on the basis of dimension-by-dimension reconstruction method. The scheme was also extended to the three-dimensional curvilinear coordinate system, which was suitable for the computation under relatively complex configurations. In order to validate the numerical scheme, some test cases were used. In the cases of the isentropic vortex and two-dimensional channel flow, it was found that the designed order of accuracy could be achieved. In the double Mach problem, it was proved that the scheme could well capture the discontinuities. The test cases show that the scheme has high numerical accuracy and robust capturing ability on curvilinear meshes and high efficiency in the simulations of the computational fluids dynamics.

Key words：finite volume method; high-order scheme; curvilinear coordinate system; dimension-by-dimension reconstruction method

http://journal.nudt.edu.cn