一维黎曼问题数值解与计算程序.docx
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一维黎曼问题数值解与计算程序
一维黎曼问题数值解与计算程序
一维
问题数值解与计算程序
一维
问题,即激波管问题,是一个典型的一维可压缩无黏气体动力学问题,并有解析解。
对它采用二阶精度
两步差分格式进行数值求解。
同时,为了初学者入门和练习方便,这里给出了用
语言和
编写的计算一维
问题的计算程序,供大家学习参考。
A-1利用
两步差分格式求解一维
问题
1.一维
问题
一维
问题实际上就是激波管问题。
激波管是一根两端封闭、内部充满气体的直管,如图A.1所示。
在直管中由一薄膜将激波管隔开,在薄膜两侧充有均匀理想气体(可以是同一种气体,也可以是不同种气体),薄膜两侧气体的压力、密度不同。
当
时,气体处于静止状态。
当
时,薄膜瞬时突然破裂,气体从高压端冲向低压端,同时在管内形成激波、稀疏波和接触间断等复杂波系。
2.基本方程组、初始条件和边界条件
设气体是理想气体。
一维
问题在数学上可以用一维可压缩无黏气体
方程组来描述。
在直角坐标系下量纲为一的一维
方程组为:
(A.1)
其中
(A.2)
这里
、
、
、
分别是流体的密度、速度、压力和单位体积总能。
理想气体状态方程:
(A.3)
,计算总时间为
。
计算得到在
时刻的密度、速度和压力分布如图A.2(
语言计算结果)和图A.3(
语言计算结果)所示。
采用两种不同语言编写程序所得到的计算结果完全吻合。
从图A.2和图A.3中可以发现,
两步差分格式能很好地捕捉激波,计算得到的激波面很陡、很窄,计算激波精度是很高的。
采用带开关函数的前置人工滤波法能消除激波附近的非物理振荡,计算效果很好。
从图A.2和图A.3中可以看出通过激波后气体的密度、压力和速度都是增加的;在压力分布中存在第二个台阶,表明在这里存在一个接触间断,在接触间断两侧压力是有间断的,而密度和速度是相等的。
这个计算结果正确地反映了一维
问题的物理特性,并被激波管实验所验证。
A-2一维
问题数值计算源程序
1.
语言源程序
//MacCormack1D.cpp:
定义控制台应用程序的入口点。
//
/*-----------------------------------------------------------------------------------------------------
*利用
差分格式求解一维激波管问题(
语言版本)
*-------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
//#include"stdafx.h"
#include
#include
#include
#defineGAMA1.4//气体常数
#definePI3.141592654
#defineL2.0//计算区域
#defineTT0.4//总时间
#defineSf0.8//时间步长因子
#defineJ1000//网格数
//全局变量
doubleU[J+2][3],Uf[J+2][3],Ef[J+2][3];
/*-------------------------------------------------------
计算时间步长
入口:
U,当前物理量,dx,网格宽度;
返回:
时间步长。
---------------------------------------------------------*/
doubleCFL(doubleU[J+2][3],doubledx)
{
inti;
doublemaxvel,p,u,vel;
maxvel=1e-100;
for(i=1;i<=J;i++)
{
u=U[i][1]/U[i][0];
p=(GAMA-1)*(U[i][2]-0.5*U[i][0]*u*u);
vel=sqrt(GAMA*p/U[i][0])+fabs(u);
if(vel>maxvel)maxvel=vel;
}
returnSf*dx/maxvel;
}
/*-------------------------------------------------------
初始化
入口:
无;
出口:
U,已经给定的初始值,
dx,网格宽度。
---------------------------------------------------------*/
voidInit(doubleU[J+2][3],double&dx)
{
inti;
doublerou1=1.0,u1=0.0,p1=1.0;//初始条件
doublerou2=0.125,u2=0.0,p2=0.1;
dx=L/J;
for(i=0;i<=J/2;i++)
{
U[i][0]=rou1;
U[i][1]=rou1*u1;
U[i][2]=p1/(GAMA-1)+rou1*u1*u1/2;
}
for(i=J/2+1;i<=J+1;i++)
{
U[i][0]=rou2;
U[i][1]=rou2*u2;
U[i][2]=p2/(GAMA-1)+rou2*u2*u2/2;
}
}
/*-------------------------------------------------------
边界条件
入口:
dx,网格宽度;
出口:
U,已经给定的边界。
---------------------------------------------------------*/
voidbound(doubleU[J+2][3],doubledx)
{
intk;
//左边界
for(k=0;k<3;k++)U[0][k]=U[1][k];
//右边界
for(k=0;k<3;k++)U[J+1][k]=U[J][k];
}
/*-------------------------------------------------------
根据U计算E
入口:
U,当前U矢量;
出口:
E,计算得到的E矢量,
U、E的定义见Euler方程组。
---------------------------------------------------------*/
voidU2E(doubleU[3],doubleE[3])
{
doubleu,p;
u=U[1]/U[0];
p=(GAMA-1)*(U[2]-0.5*U[1]*U[1]/U[0]);
E[0]=U[1];
E[1]=U[0]*u*u+p;
E[2]=(U[2]+p)*u;
}
/*-------------------------------------------------------
一维
差分格式求解器
入口:
U,上一时刻的U矢量,Uf、Ef,临时变量,
dx,网格宽度,dt,时间步长;
出口:
U,计算得到的当前时刻U矢量。
---------------------------------------------------------*/
voidMacCormack_1DSolver(doubleU[J+2][3],doubleUf[J+2][3],doubleEf[J+2][3],doubledx,doubledt)
{
inti,k;
doubler,nu,q;
r=dt/dx;
nu=0.25;
for(i=1;i<=J;i++)
{
q=fabs(fabs(U[i+1][0]-U[i][0])-fabs(U[i][0]-U[i-1][0]))
/(fabs(U[i+1][0]-U[i][0])+fabs(U[i][0]-U[i-1][0])+1e-100);//开关函数
for(k=0;k<3;k++)
Ef[i][k]=U[i][k]+0.5*nu*q*(U[i+1][k]-2*U[i][k]+U[i-1][k]);//人工黏性项
}
for(k=0;k<3;k++)
for(i=1;i<=J;i++)U[i][k]=Ef[i][k];
for(i=0;i<=J+1;i++)U2E(U[i],Ef[i]);
for(i=0;i<=J;i++)
for(k=0;k<3;k++)
Uf[i][k]=U[i][k]-r*(Ef[i+1][k]-Ef[i][k]);//U(n+1/2)(i+1/2)
for(i=0;i<=J;i++)U2E(Uf[i],Ef[i]);//E(n+1/2)(i+1/2)
for(i=1;i<=J;i++)
for(k=0;k<3;k++)
U[i][k]=0.5*(U[i][k]+Uf[i][k])-0.5*r*(Ef[i][k]-Ef[i-1][k]);//U(n+1)(i)
}
/*-------------------------------------------------------
输出结果,用
数据格式画图
入口:
U,当前时刻U矢量,dx,网格宽度;
出口:
无。
---------------------------------------------------------*/
voidOutput(doubleU[J+2][3],doubledx)
{
inti;
FILE*fp;
doublerou,u,p;
fp=fopen("result.txt","w");
for(i=0;i<=J+1;i++)
{
rou=U[i][0];
u=U[i][1]/rou;
p=(GAMA-1)*(U[i][2]-0.5*U[i][0]*u*u);
fprintf(fp,"%20f%20.10e%20.10e%20.10e%20.10e\n",i*dx,rou,u,p,U[i][2]);
}
fclose(fp);
}
/*-------------------------------------------------------
主函数
入口:
无;
出口:
无。
---------------------------------------------------------*/
voidmain()
{
doubleT,dx,dt;
Init(U,dx);
T=0;
while(T
{
dt=CFL(U,dx);
T+=dt;
printf("T=%10gdt=%10g\n",T,dt);
MacCormack_1DSolver(U,Uf,Ef,dx,dt);
bound(U,dx);
}
Output(U,dx);
}
----------------------------------------------------------------------------------------------------
----------------------------------------------------------------------------------------------------
2.
语言源程序
!
MacCormack1D.for
------------------------------------------------------------------------------------------------------------
!
利用
差分格式求解一维激波管问题(
语言版本)
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
programMacCormack1D
implicitdoubleprecision(a-h,o-z)
parameter(M=1000)
common/G_def/GAMA,PI,J,JJ,dL,TT,Sf
dimensionU(0:
M+1,0:
2),Uf(0:
M+1,0:
2)
dimensionEf(0:
M+1,0:
2)
!
气体常数
GAMA=1.4
PI=3.1415926
!
网格数
J=M
!
计算区域
dL=2.0
!
总时间
TT=0.4
!
时间步长因子
Sf=0.8
callInit(U,dx)
T=0
1dt=CFL(U,dx)
T=T+dt
write(*,*)'T=',T,'dt=',dt
callMacCormack_1D_Solver(U,Uf,Ef,dx,dt)
callbound(U,dx)
if(T.lt.TT)goto1
callOutput(U,dx)
end
!
-------------------------------------------------------
!
计算时间步长
!
入口:
U,当前物理量,dx,网格宽度;
!
返回:
时间步长。
!
-------------------------------------------------------
doubleprecisionfunctionCFL(U,dx)
implicitdoubleprecision(a-h,o-z)
common/G_def/GAMA,PI,J,JJ,dL,TT,Sf
dimensionU(0:
J+1,0:
2)
dmaxvel=1e-10
do10i=1,J
uu=U(i,1)/U(i,0)
p=(GAMA-1)*(U(i,2)-0.5*U(i,0)*uu*uu)
vel=dsqrt(GAMA*p/U(i,0))+dabs(uu)
if(vel.gt.dmaxvel)dmaxvel=vel
10continue
CFL=Sf*dx/dmaxvel
end
!
-------------------------------------------------------
!
初始化
!
入口:
无;
!
出口:
U,已经给定的初始值,dx,网格宽度。
!
-------------------------------------------------------
subroutineInit(U,dx)
implicitdoubleprecision(a-h,o-z)
common/G_def/GAMA,PI,J,JJ,dL,TT,Sf
dimensionU(0:
J+1,0:
2)
!
初始条件
rou1=1.0
u1=0
v1=0
p1=1.0
rou2=0.125
u2=0
v2=0
p2=0.1
dx=dL/J
do20i=0,J/2
U(i,0)=rou1
U(i,1)=rou1*u1
U(i,2)=p1/(GAMA-1)+0.5*rou1*u1*u1
20continue
do21i=J/2+1,J+1
U(i,0)=rou2
U(i,1)=rou2*u2
U(i,2)=p2/(GAMA-1)+0.5*rou2*u2*u2
21continue
end
!
-------------------------------------------------------
!
边界条件
!
入口:
dx,网格宽度;
!
出口:
U,已经给定边界。
!
-------------------------------------------------------
subroutinebound(U,dx)
implicitdoubleprecision(a-h,o-z)
common/G_def/GAMA,PI,J,JJ,dL,TT,Sf
dimensionU(0:
J+1,0:
2)
!
左边界
do30k=0,2
U(0,k)=U(1,k)
30continue
!
右边界
do31k=0,2
U(J+1,k)=U(J,k)
31continue
end
!
-------------------------------------------------------
!
根据U计算E
!
入口:
U,当前U矢量;
!
出口:
E,计算得到的E矢量,
!
U、E定义见Euler方程组。
!
-------------------------------------------------------
subroutineU2E(U,E,is,in)
implicitdoubleprecision(a-h,o-z)
common/G_def/GAMA,PI,J,JJ,dL,TT,Sf
dimensionU(0:
J+1,0:
2),E(0:
J+1,0:
2)
do40i=is,in
uu=U(i,1)/U(i,0)
p=(GAMA-1)*(U(i,2)
$-0.5*U(i,1)*U(i,1)/U(i,0))
E(i,0)=U(i,1)
E(i,1)=U(i,0)*uu*uu+p
E(i,2)=(U(i,2)+p)*uu
40continue
end
!
-------------------------------------------------------
!
一维
差分格式求解器
!
入口:
U,上一时刻U矢量,
!
Uf、Ef,临时变量,
!
dx,网格宽度,dt,,时间步长;
!
出口:
U,计算得到得当前时刻U矢量。
!
-------------------------------------------------------
subroutineMacCormack_1D_Solver(U,Uf,Ef,dx,dt)
implicitdoubleprecision(a-h,o-z)
common/G_def/GAMA,PI,J,JJ,dL,TT,Sf
dimensionU(0:
J+1,0:
2),Uf(0:
J+1,0:
2)
dimensionEf(0:
J+1,0:
2)
r=dt/dx
dnu=0.25
do60i=1,J
do60k=0,2
!
开关函数
q=dabs(dabs(U(i+1,0)-U(i,0))-dabs(U(i,0)-U(i-1,0)))
$/(dabs(U(i+1,0)-U(i,0))+dabs(U(i,0)-U(i-1,0))+1e-10)
!
人工黏性项
Ef(i,k)=U(i,k)+0.5*dnu*q*(U(i+1,k)-2*U(i,k)+U(i-1,k))
60continue
do61k=0,2
do61i=1,J
U(i,k)=Ef(i,k)
61continue
callU2E(U,Ef,0,J+1)
do63i=0,J
do63k=0,2
!
U(n+1/2)(i+1/2)
Uf(i,k)=U(i,k)-r*(Ef(i+1,k)-Ef(i,k))
63continue
!
E(n+1/2)(i+1/2)
callU2E(Uf,Ef,0,J)
do64i=1,J
do64k=0,2
!
U(n+1)(i)
U(i,k)=0.5*(U(i,k)+Uf(i,k))-0.5*r*(Ef(i,k)-Ef(i-1,k))
64continue
end
!
-------------------------------------------------------
!
输出结果,用
数据格式画图
!
入口:
U,当前时刻U矢量,
!
dx,网格宽度;
!
出口:
无。
!
-------------------------------------------------------
subroutineOutput(U,dx)
implicitdoubleprecision(a-h,o-z)
common/G_def/GAMA,PI,J,JJ,dL,TT,Sf
dimensionU(0:
J+1,0:
2)
open(1,file='result.txt',status='unknown')
do80i=0,J+1
rou=U(i,0)
uu=U(i,1)/rou
p=(GAMA-1)*(U(i,2)-0.5*U(i,0)*uu*uu)
write(1,81)i*dx,rou,uu,p,U(i,2)
80continue
close
(1)
81format(D20.10,D20.10,D20.10,D20.10,D20.10)
end
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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- 黎曼 问题 数值 计算 程序
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