- •3. Разностные методы решения уравнений газовой динамики.
- •3.1 Особенности численного решения задач газовой динамики.
- •3.2 Способы описания газодинамических течений и построение разностных схем.
- •3.3 Однородные разностные схемы. Схемы с псевдовязкостью.
- •3.3.1. Способы единообразного описания газодинамических течений.
- •3.4. Разностная схема Неймана-Рихтмайера - «крест» для системы уравнений газовой динамики с вязкостью.
3.4. Разностная схема Неймана-Рихтмайера - «крест» для системы уравнений газовой динамики с вязкостью.
При наличии вязкости единственным видом разрывов, допускаемых законами сохранения, является контактный разрыв. В предыдущей лекции
[см. Лекция 2] для описания течения идеального политропного газа в лагранжевых массовых переменных без учета вязкости для (n = 0) нами была определена следующая система уравнений [(3.13 а) - (3.17 а)]:
,
,
,
,
Если
ввести вязкость
,
новую переменную
и
заменить
, то эту систему можно представить в
следующем виде:
,
(3.18)
,
(3.19)
,
(3.20)
где
,
,
(3.21)
вязкость определяется или формулой (3.16) , или (3.17).
В случае течений без ударных волн преимущество и достоинства консервативных разностных схем становится менее очевидным. Если, однако, учесть, что ударный переход «размазывается» всего на несколько счетных интервалов, то можно понять, что это свойство остается полезным.
Первой опубликованной в печати разностной схемой, использующей «псевдовязкость», была схема Неймана-Рихтмайера. Эта схема относится к типу «крест».
Схема
«крест» построена на аппроксимации
первых двух законов сохранения (3.6) -
(3.7) [или (3.18) - (3.19)] на прямоугольных
ячейках разностной сетки в плоскости
лагранжевых массовых переменных
.
При этом
для достижения точности второго порядка
и во избежание интерполяции
термодинамические величины
,
,
и скорость
разнесены по
разным
точкам сетки –
полуцелым
и целым
соответственно. Третье уравнение для
энергии используется в недивергентном
виде:
,
(3.20
А)
Оно эквивалентно уравнению (3.20) и получается из системы (3.18)-(3.20) путем несложных преобразований.
Разностная схема «крест» имеет вид:
,
(3.22)
,
(3.23)
,
(3.24)
где
, (3.25)
,
(3.26)
.
(3.27)
В
области гладкого течения схема имеет
второй порядок точности, поскольку
формулы (3.22) и (3.23) аппрксимируют законы
сохранения формулой интегрирования с
центрированными точками, а вязкий член
имеет порядок
.
Формула (3.24) также имеет второй порядок
точности. На Рис.2 показаны ячейки
интегрирования для законов сохранения.
Рис.2
В практическом счете обычно избавляются от дробных шагов по времени, применяя сдвиг по временному индексу:
.
(3.28)
Тогда формулы (3.22), (3.23) и (3.26) принимают вид:
,
(3.29)
,
(3.30)
.
(3.31)
При
произвольном уравнении состояния (3.27)
формула (3.24) требует итераций для
определения
.
В случае идеального
газа формула (3.24) допускает явное
разрешение относительно
.
Если аппроксимировать не уравнение
(3.20 А)
,
а закон сохранения энергии в интегральном
виде (3.8), который в данном случае имеет
следующий вид:
,
То
при сохранении расположения точек
сетки, в которых вычисляются
,
,
и
скорость
,
придется пользоваться
интерполяцией скорости
.
Схемы такого рода применял И.М. Гельфанд.
Рассмотрим ряд модификаций схемы Неймана-Рихтмайера, связанные прежде всего с различным определением вязкости.
Р. Лэттер предложил модификацию метода Неймана-Рихтмайера. Вязкость вводится для того, чтобы сглаживать существующие, а также возникающие из волн сжатия ударные волны. Известно, что в волнах разрежения градиенты уменьшаются и при отсутствии вязкости. Поэтому в разностном счете целесообразно для повышения точности исключать действие вязкости в области волн разрежения, иначе говоря, «занулять» коэффициенты вязкости.
В плоском случае в волнах сжатия и ударных волнах выполняется неравенство:
,
в то время как для волн разрежения выполняется прямо противоположное условие:
.
В связи с этим Лэттер предлагает следующее выражение для вязкого члена:
(3.32)
Указанный прием становится особенно эффективным, если применять в разностном расчете линейную вязкость :
Тогда профиль ударной волны является аналитическим, осцилляционные эффекты становятся значительно меньше и при этом точность в области волн разрежения является достаточной.
Схемы (3.29) - (3.30) с условием для вязкости следующего вида:
,
где
- скорость звука исследовались А.А.
Самарским и В.Я. Арсениным.
Рассмотренная выше схема «крест» в версии Неймана-Рихтмайера не является консервативной разностной схемой, так как она аппроксимирует одно из уравнений (для энергии) взятое в недивергентной форме. При наличии вязкости это конечно допустимо.
Однако можно построить консервативные разностные схемы, аппроксимирующие законы сохранения вязкого газа как в лагранжевых, так и в эйлеровых координатах. Одно из преимуществ таких схем состоит в том, что они более точно передают интегральные характеристики течения при достаточно грубых сетках, чем неконсервативные схемы.
Ю.П. Попов и А.А. Самарский рассмотрели неявную разностную схему с весами, которую мы выпишем в случае лагранжевых переменных:
,
(3.33)
,
(3.34)
,
(3.35)
,
(3.36)
Уравнения
(3.33) и (3.34) можно рассматривать как
аппроксимацию законов сохранения
импульса и объема на разностной ячейке,
поэтому они консервативны. Распоряжаясь
параметрами
,
можно добиться, чтобы уравнение (3.36) в
сочетании с (3.33) – (3.35) было эквивалентно
аппроксимации на ячейке разностной
схемы интегрального закона сохранения
энергии. Это достигается при
,
(3.37)
где
- свободный
параметр. Распоряжаясь свободными
параметрами, можно менять характер
интерполяции по времени. При
уравнение (3.36)
можно преобразовать к такому виду, что
оно будет иметь вид аппроксимации
уравнения (3.20 А), т.е.
.
При выполнении этих условий
авторы
называют схему (3.33) - (3.36) полностью
консервативной. При этом имеется ввиду,
что, помимо дивергентной аппроксимации
дивергентного уравнения сохранения
полной энергии, схема аппроксимирует
с хорошей точностью и другие (недивергентные)
формы уравнения газовой динамики.
При
схема (3.33) – (3.36) имеет порядок аппроксимации
.
Все остальные схемы этого класса имеют
порядок аппроксимации
.
При
разностная схема абсолютно
устойчива
(в смысле локальной
устойчивости),
при
- схема условно
устойчива.
В.Я.
Гольдин, Н.И. Ионкин и Н.Н. Калиткин также
повторили полную консервативную схему
с аппроксимацией
для уравнений в лагранжевых координатах
с учетом вязкости и теплопроводности,
исходя из других соображений. В.Е.
Трощиев построил полностью консервативную
разностную схему с аппроксимацией
второго порядка, которая является явной.
В случае плоской симметрии
схема В.Е. Трощиева совпадает со схемой
«крест» Неймана-Рихтмайера (3.22) –(3.24).
