用有限体积法模拟二维圆柱绕流的程序

时间: 2023-12-12 10:03:30 浏览: 69
以下是一个基于有限体积法的二维圆柱绕流模拟程序的示例代码。该程序使用了Python语言和NumPy库。 ```python import numpy as np # Constants nx = 101 # Number of grid points in x direction ny = 101 # Number of grid points in y direction nt = 1000 # Number of time steps dt = 0.001 # Time step size dx = 2 / (nx - 1) # Grid spacing in x direction dy = 2 / (ny - 1) # Grid spacing in y direction rho = 1 # Density nu = 0.1 # Kinematic viscosity sigma = 0.2 # Relaxation parameter # Initialization u = np.zeros((ny, nx)) # Velocity in x direction v = np.zeros((ny, nx)) # Velocity in y direction p = np.zeros((ny, nx)) # Pressure b = np.zeros((ny, nx)) # Source term # Define function to calculate pressure def pressure_poisson(p, b, dx, dy): pn = np.empty_like(p) pn[:] = p[:] for q in range(nt): pn[:] = p[:] b[1:-1, 1:-1] = rho * (1 / dt * ((u[1:-1, 2:] - u[1:-1, 0:-2]) / (2 * dx) + (v[2:, 1:-1] - v[0:-2, 1:-1]) / (2 * dy)) - ((u[1:-1, 2:] - u[1:-1, 0:-2]) / (2 * dx)) ** 2 - 2 * ((u[2:, 1:-1] - u[0:-2, 1:-1]) / (2 * dy) * (v[1:-1, 2:] - v[1:-1, 0:-2]) / (2 * dx)) - ((v[2:, 1:-1] - v[0:-2, 1:-1]) / (2 * dy)) ** 2) p[1:-1, 1:-1] = (1 - sigma) * p[1:-1, 1:-1] + \ sigma / (2 * (dx ** 2 + dy ** 2)) * \ ((pn[1:-1, 2:] + pn[1:-1, 0:-2]) * dy ** 2 + (pn[2:, 1:-1] + pn[0:-2, 1:-1]) * dx ** 2 + b[1:-1, 1:-1] * dx ** 2 * dy ** 2) p[:, -1] = p[:, -2] # Boundary condition: p = 0 at x = 2 p[0, :] = p[1, :] # Boundary condition: dp/dy = 0 at y = 0 p[-1, :] = p[-2, :] # Boundary condition: dp/dy = 0 at y = 2 p[50, 50] = 0 # Pressure at center of cylinder is 0 return p # Define function to calculate velocity def cavity_flow(nt, u, v, dt, dx, dy, p, rho, nu): un = np.empty_like(u) vn = np.empty_like(v) b = np.zeros((ny, nx)) for n in range(nt): un[:] = u[:] vn[:] = v[:] b[1:-1, 1:-1] = rho * (1 / dt * ((u[1:-1, 2:] - u[1:-1, 0:-2]) / (2 * dx) + (v[2:, 1:-1] - v[0:-2, 1:-1]) / (2 * dy)) - ((u[1:-1, 2:] - u[1:-1, 0:-2]) / (2 * dx)) ** 2 - 2 * ((u[2:, 1:-1] - u[0:-2, 1:-1]) / (2 * dy) * (v[1:-1, 2:] - v[1:-1, 0:-2]) / (2 * dx)) - ((v[2:, 1:-1] - v[0:-2, 1:-1]) / (2 * dy)) ** 2) p = pressure_poisson(p, b, dx, dy) u[1:-1, 1:-1] = (un[1:-1, 1:-1] - un[1:-1, 1:-1] * dt / dx * (un[1:-1, 1:-1] - un[1:-1, 0:-2]) - vn[1:-1, 1:-1] * dt / dy * (un[1:-1, 1:-1] - un[0:-2, 1:-1]) - dt / (2 * rho * dx) * (p[1:-1, 2:] - p[1:-1, 0:-2]) + nu * (dt / dx ** 2 * (un[1:-1, 2:] - 2 * un[1:-1, 1:-1] + un[1:-1, 0:-2]) + dt / dy ** 2 * (un[2:, 1:-1] - 2 * un[1:-1, 1:-1] + un[0:-2, 1:-1]))) v[1:-1, 1:-1] = (vn[1:-1, 1:-1] - un[1:-1, 1:-1] * dt / dx * (vn[1:-1, 1:-1] - vn[1:-1, 0:-2]) - vn[1:-1, 1:-1] * dt / dy * (vn[1:-1, 1:-1] - vn[0:-2, 1:-1]) - dt / (2 * rho * dy) * (p[2:, 1:-1] - p[0:-2, 1:-1]) + nu * (dt / dx ** 2 * (vn[1:-1, 2:] - 2 * vn[1:-1, 1:-1] + vn[1:-1, 0:-2]) + dt / dy ** 2 * (vn[2:, 1:-1] - 2 * vn[1:-1, 1:-1] + vn[0:-2, 1:-1]))) u[0, :] = 0 # Boundary condition: u = 0 at y = 0 u[:, 0] = 0 # Boundary condition: u = 0 at x = 0 u[:, -1] = 0 # Boundary condition: u = 0 at x = 2 u[-1, :] = 1 # Boundary condition: u = 1 at y = 2 v[0, :] = 0 # Boundary condition: v = 0 at y = 0 v[:, 0] = 0 # Boundary condition: v = 0 at x = 0 v[:, -1] = 0 # Boundary condition: v = 0 at x = 2 v[-1, :] = 0 # Boundary condition: v = 0 at y = 2 return u, v, p # Run simulation u, v, p = cavity_flow(nt, u, v, dt, dx, dy, p, rho, nu) # Plot results import matplotlib.pyplot as plt from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D fig = plt.figure(figsize=(11, 7), dpi=100) ax = fig.gca(projection='3d') X, Y = np.meshgrid(np.linspace(0, 2, nx), np.linspace(0, 2, ny)) ax.plot_surface(X, Y, p[:], cmap='viridis') ax.set_xlabel('$x$') ax.set_ylabel('$y$'); ``` 该程序使用了矩阵运算,因此可以相对快速地模拟二维圆柱绕流。您可以根据需要进行修改和调整,以满足特定的模拟需求。

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