Navier-Stokes 方程中的压力边界条件

计算科学 有限元 边界条件 纳维斯托克斯
2021-12-20 04:10:03

我想在用四面体离散的刚性管道中使用 FEM、牛顿法、基于 Schur 的预处理器、拉格朗日 P2/P1 元素(无稳定化)求解 3D 瞬态不可压缩 Navier-Stokes。

流体最初是静止的,我施加恒定的入口和出口压力边界条件(因此恒定的压力梯度),并且我想在一段时间后达到 Poiseulle 稳态解。雷诺数在层流范围内,CFL 成立!在几百个时间步之后,压力变得不稳定,一切都破裂了。

我通过添加 -ΓpηNidx此刻方程,其中η是正常的向外酉向量,并且Ni是个P2与边界节点相关的基函数。我认为没有什么不符合标准的。

然而,当我在 Paraview 中可视化这个积分的结果时,边界看起来像一个棋盘:在与边缘关联的自由度处有非零值,但在与顶点关联的自由度处几乎为零!我曾经说服自己的解释是,与顶点相关的形状函数在仅限于三角形时积分为零(实际上,除非我犯了一个奇怪的错误,这也适用于P2与三角形顶点相关的形状函数的积分为零)。

PS:停止前最后一个成功时间步的速度分布也有一种棋盘分布。

几个问题让我感到困惑:

1)如果我保持相同的压力梯度、网格、雷诺数等,但施加抛物线速度分布(由 Poiseulle 公式给出)或恒定速度(然后我在入口长度之后有 Poiseulle 分布),一切工作正常。

2)上面评估压力积分的代码与另一个(固体力学)求解器使用的代码完全相同,通过非均匀和瞬态牵引边界条件验证,它使用 P1 元素代替!

3)如果我细化网格,我仍然有棋盘图案,但压力施加设置以某种方式起作用!我没想到网格依赖。需要明确的是,这个棋盘格不是压力,而是上面积分的结果。

我很模糊的问题是:我错过了什么?

让我知道问题陈述是否清楚。

顺便说一句,你知道任何其他施加压力的方法吗?我已经听说过在连续性方程的(不存在的)边界压力入口处引入 1(v=0),但如果我不使用任何稳定功能,我对这个想法感到不舒服。

任何提示都非常感谢!

谢谢!

1个回答

据我所知,不可压缩流动的 FEM 解决方案的自然设置是:在入口处指定速度,在出口处指定均匀条件

n(νu+pI)|ΓN=0
.

然后后者可以应用于出口的方面,即所谓的自然 BC。

希望这对您有所帮助。