SUNTANS模型学习（3）——学习cylinder算例
生活随笔
收集整理的這篇文章主要介紹了
SUNTANS模型学习（3）——学习cylinder算例
小編覺得挺不錯的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個參考.
學(xué)習(xí)cavity算例
- 簡介
- 網(wǎng)格配置
- 參數(shù)配置
- Input file for SUNTANS部分
- Grid Files部分
- Output Data Files和Input Data Files部分
- Use output to calculate Strouhal number部分
- 其余參數(shù)
- 模型運(yùn)行
- 模擬結(jié)果
簡介
Cylinder Flow（圓柱繞流）是流體數(shù)值模型的經(jīng)典算例。對于平面對稱布置的圓柱繞流工況，在理想狀態(tài)下，圓柱兩側(cè)繞流流線呈對稱狀。但隨著雷諾數(shù)的增大，圓柱上下游的流線會逐漸失去對稱性，而在圓柱后側(cè)的流場中產(chǎn)生卡門渦街。卡門渦街是流體力學(xué)中重要的現(xiàn)象，對于卡門渦街的模擬也常被用于模型檢驗。
在suntans模型代碼包中，內(nèi)置有一圓柱繞流算例cylinder。模擬的配置文件位于 /examples/cylinder 文件夾中。在本算例中，模型預(yù)設(shè)了兩套網(wǎng)格配置（三角形網(wǎng)格、三角形和矩形混合的網(wǎng)格），以及垂向平均流動與三維流動的參數(shù)配置。模擬工況匯總?cè)缦?#xff1a;
| 1 | 三角形網(wǎng)格 | 二維淺水模擬 |
| 2 | 三角形網(wǎng)格 | 三維流動模擬 |
| 3 | 三角形、矩形混合網(wǎng)格 | 二維淺水模擬 |
| 4 | 三角形、矩形混合網(wǎng)格 | 三維流動模擬 |
通過模擬本算例，主要學(xué)習(xí)參數(shù)文件suntans.dat中各主要參數(shù)的設(shè)定及其物理含義。
網(wǎng)格配置
兩套網(wǎng)格配置如下圖所示（上圖為三角形網(wǎng)格，下圖為三角形、矩形混合網(wǎng)格）：
其中的紅點為各個網(wǎng)格的Voronoi點。
如果模擬三維流動，則需要設(shè)定垂向網(wǎng)格配置。在本算例中，我們設(shè)定垂向網(wǎng)格總數(shù)為Nkmax=20；垂向網(wǎng)格上疏下密（垂向網(wǎng)格由suntans.dat文件中的rstretch參數(shù)控制，這個下一節(jié)中細(xì)講）。
參數(shù)配置
對于本算例，模型參數(shù)由suntans.dat文件給出；文件中的參數(shù)共包含以下5個部分：
Input file for SUNTANS部分
這是這個參數(shù)文件的主體部分，這里我們以三角形網(wǎng)格的三維流動模擬為例，看看各個控制參數(shù)。以下就是各參數(shù)，輸入方式為【參數(shù)名】+【空格】+【參數(shù)值】；#號后側(cè)的為注釋；即
variablename variablevalue # Description of variable以下是suntans.dat中第一部分的內(nèi)容，在此附上中文說明：
Nkmax 20 # 最大的垂向網(wǎng)格數(shù)字，以此為例，垂向網(wǎng)格最多的地方有20層網(wǎng)格。 stairstep 0 # 該值可取1或0；1表示每層垂向網(wǎng)格間距在水平方向上不變，不過這也有可能導(dǎo)致某處最低網(wǎng)格底面低于實際深度；#0表示在底面附近網(wǎng)格使用partial-stepping，使單元的底面與深度的實際值相一致。 rstretch -1.05 # 垂向網(wǎng)格拉伸系數(shù)，取值范圍(-1.1, 1)或(1, 1.1)；當(dāng) r<0，底部網(wǎng)格得到了加密，反之，則加密頂上的網(wǎng)格 CorrectVoronoi -1 # 關(guān)于是否啟用三角網(wǎng)格修正，包含兩種方法，即該值有兩個取值：1或-1。# 當(dāng)取1時，對Voronoi點距離過近的網(wǎng)格進(jìn)行校正；當(dāng)取-1時，將鈍角三角形的Voronoi點移動到它的形心。 VoronoiRatio 0 # Voronoi點的校正因子。當(dāng)不啟用CorrectVoronoi時，該值取0；# 當(dāng)CorrectVoronoi=1，該值取[0,1]；當(dāng)CorrectVoronoi=-1，該值取角度[0,90]；（詳見手冊） vertgridcorrect 0 # 對最小水深D_min<Δz的情況進(jìn)行校正；當(dāng)該值為1，遇此情況時有Δz=D_min，從而使Nkmax = D_max /D_min IntDepth 0 # 如果取1，Voronoi點的水深由depth文件給出（空間插值）；否則，水深在initialization.c中設(shè)定。 dzsmall 0.1 # 校正前網(wǎng)格最小間距比【這個參數(shù)不再使用，不必設(shè)置】 scaledepth 0 # 對水深的縮放（一般用于測試）；當(dāng)取值為1，則該功能啟動 scaledepthfactor 0 # 水深縮放比例因子，在scaledepth=1的時候生效 thetaramptime 1 # ramp time（詳見手冊），給初始化時一個緩慢的物理量變化過程，來抑制瞬態(tài)的正壓效應(yīng)；在本例子中，該值取1s。 beta 0 # 鹽度擴(kuò)散系數(shù)（本例中取0） theta 0.55 # 控制時間數(shù)值積分的顯式/隱式/半隱式的系數(shù)（對于水動力控制方程） # θ = 0: 顯式(不穩(wěn)定)；θ = 0.5: Crank-Nicolson ；θ = 1.0: 隱式；θ = 0.55: 常用設(shè)置。 thetaS 0.55 # 控制時間數(shù)值積分格式的系數(shù)（對于對流-擴(kuò)散方程） thetaB 0.55 # 【不再使用的參數(shù)】 kappa_s 0 # 鹽度的垂直擴(kuò)散系數(shù) kappa_sH 0 # 鹽度的水平擴(kuò)散系數(shù)（詳見手冊） gamma 1 # 溫度的擴(kuò)散系數(shù) kappa_T 0 # 溫度的垂直擴(kuò)散系數(shù) kappa_TH 0 # 溫度的水平擴(kuò)散系數(shù)（詳見手冊） nu 5e-4 # 水的垂直方向粘度 (m^2 s^-1) （對于層流） nu_H 5e-4 # 水的水平方向粘度 (m^2 s^-1) （對于層流） tau_T 0 # 風(fēng)應(yīng)力 z0T 0.0 # 水面邊界的粗糙度 （單位：m），用于計算CdT z0B 0.0 # 底面邊界的粗糙度 （單位：m），用于計算CdB CdT 0.0 # 如果z0T=0，則頂部的阻力系數(shù)由這個常數(shù)給出；否則，這個參數(shù)不生效。如果用free-slip條件，則取-1。 CdB -1 # 如果z0B=0，則頂部的阻力系數(shù)由這個常數(shù)給出；否則，這個參數(shù)不生效。如果用free-slip條件，則取-1。 CdW 0.0 # 側(cè)向邊界阻力系數(shù)；只有當(dāng)壁面沒有延伸到自由表面時，才計算側(cè)壁上的阻力（例如漫灘情況下，不計算側(cè)向阻力） turbmodel 0 # 紊流模型 (0 - 不使用, 1 - MY25) AB 3 # Adam-Bashforth法的階數(shù)（2或3，對應(yīng)2階或3階A-B方法） dt 2.5e-3 # 時間步長 grav 9.81e10 # 重力加速度（默認(rèn)為9.81，此算例中采用了一個較大值以控制雷諾數(shù)） Cmax 1 # Courant數(shù)的最大允許值 nsteps 1600 # 時間步總數(shù) ntout 80 # 輸出文件的步頻，此處表示每80個dt輸出一次 ntprog 5 # 報告運(yùn)算進(jìn)度的頻率 (%) ntconserve 1 # 輸出 conserved data 的步頻（例如質(zhì)量、體積、勢能等），詳見phys.c中函數(shù)OutputData nonhydrostatic 1 # 0 - 應(yīng)用靜水壓假定, 1 = 非靜壓模擬 cgsolver 1 # 線性方程組的求解方法 0 = GS, 1 = CG 【這個參數(shù)已不再使用】 maxiters 1000 # CG 法（共軛梯度法）迭代的最大次數(shù) qmaxiters 2000 # CG 法迭代的最大次數(shù) （泊松方程） qprecond 2 # 是否對泊松方程進(jìn)行預(yù)處理（0 - 不處理；1 - Diagonal預(yù)處理；2 - Block-diagonal預(yù)處理） epsilon 1e-10 # CG法中收斂性判別所允許的最小值 qepsilon 1e-5 # CG法中收斂性判別所允許的最小值（壓力泊松方程） resnorm 0 # 在計算CG求解器的公差準(zhǔn)則時是否對殘差進(jìn)行歸一化（0和1對應(yīng)了不同的誤差形式） relax 1 # CG求解器的松弛系數(shù) amp 0.8 # 用于指定boundaries.c中的參數(shù)prop->amp （振幅） omega 0 # 用于指定boundaries.c中的參數(shù)prop->omega （圓頻率） flux 0 # 用于指定boundaries.c中的參數(shù)prop->flux （通量或流量） timescale 0 # 用于指定boundaries.c中的參數(shù)prop->timescale（應(yīng)用于開邊界的時間尺度） volcheck 0 # 是否檢查體積守恒（0-不檢查；1-檢查） masscheck 0 # 是否檢查質(zhì)量守恒（0-不檢查；1-檢查） interp 1 # 插值方法（0-經(jīng)典Perot方法；1-二次插值） nonlinear 2 # 動量方程對流項格式（0-無對流；1-迎風(fēng)格式；2-中心差分格式） laxWendroff 0 # Lax Wendroff擴(kuò)散系數(shù)（0-不應(yīng)用Lax Wendroff法；1-當(dāng)nonlinear=2時，渦粘系數(shù)通過Lax Wendroff法給出） newcells 0 # 1 if adjust momentum in surface cells as the volume changes, 0 otherwise wetdry 0 # 是否采用干-濕網(wǎng)格設(shè)置 （1-使用, 0-不使用） Coriolis_f 0 # 科氏力參數(shù) f=2*Omega*sin(phi) sponge_distance 0 # 海綿邊界層衰減距離（詳見phys.c） sponge_decay 0 # 海綿邊界層衰減時間系數(shù) readSalinity 0 # 0-垂直鹽度分布在initilization.c中設(shè)定；1-從InitSalinityFile中讀取垂直鹽度分布，文件必須為二進(jìn)制格式，且必須按照從上到下的順序包含N_kmax個雙精度值。 readTemperature 0 # 與readSalinity類似，當(dāng)取1時，從InitTemperatureFile中讀取垂直溫度分布Grid Files部分
網(wǎng)格文件均是ASCII的二進(jìn)制文件。suntans.dat文件中需要設(shè)定它們的文件名。
pslg full_circle.dat # 平面直線圖形文件；詳見手冊第3章。 (input) 【本例中不采用】 points points.dat # 網(wǎng)格節(jié)點文件 (input) edges edges.dat # 網(wǎng)格邊配置文件 (input) cells cells.dat # 網(wǎng)格連接關(guān)系文件 (input) depth depth.dat # 水深文件 (若INTERPDEPTH=1，則應(yīng)用該文件) (input) nodes nodes.dat # 節(jié)點的拓?fù)潢P(guān)系 (output) celldata celldata.dat # 每個線程的網(wǎng)格中心數(shù)據(jù) (output) edgedata edgedata.dat # 每個線程的網(wǎng)格邊界數(shù)據(jù)t (output) vertspace vertspace.dat # 垂向網(wǎng)格間距 (output) topology topology.dat # 每個線程的網(wǎng)格拓?fù)潢P(guān)系各個文件的格式詳見手冊第7章。
Output Data Files和Input Data Files部分
######################################################################## # Output Data Files ######################################################################## FreeSurfaceFile fs.dat #自由水面高程 HorizontalVelocityFile u.dat #水平流速 VerticalVelocityFile w.dat #垂向流速 SalinityFile s.dat #鹽度場數(shù)據(jù) BGSalinityFile s0.dat # TemperatureFile T.dat #溫度 PressureFile q.dat #動水壓力 VerticalGridFile g.dat #垂向網(wǎng)格 ConserveFile e.dat #守恒性檢查 ProgressFile step.dat #模擬進(jìn)度 StoreFile store.dat #保存數(shù)據(jù)，用于熱啟動的文件 StartFile start.dat #用于熱啟動的文件 EddyViscosityFile nut.dat #渦粘系數(shù) ScalarDiffusivityFile kappat.dat #標(biāo)量擴(kuò)散系數(shù) ######################################################################## # Input Data Files 【本例中不采用】 ######################################################################## InitSalinityFile sinit.dat #初始鹽度場 InitTemperatureFile Tinit.dat #初始溫度場Use output to calculate Strouhal number部分
ProfileVariables u # 輸出的變量值 DataLocations dataxy.dat # 變量所在位置的x，y坐標(biāo) ProfileDataFile profdata.dat # 垂向剖面信息 ntoutProfs 10 # 每次輸出配置文件數(shù)據(jù)所間隔的時間步；此處含義為每10個時間步輸出配置文件數(shù)據(jù) NkmaxProfs 1 # 輸出文件的最頂層 numInterpPoints 1 # 是否”僅輸出最鄰近的點“注：這個部分在手冊中也并未詳細(xì)描述；在此先略過。
其余參數(shù)
在目錄/examples/cylinder下輸入以下指令以運(yùn)行三角形網(wǎng)格淺水流動：
make test指令框中將會顯示一些參數(shù)未被設(shè)定，但模型運(yùn)行時自動采用了其默認(rèn)值。詳細(xì)信息如下：
Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of maxFaces=3.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of ntoutStore=0.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of TVDsalt=4.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of TVDtemp=4.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of TVDturb=0.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of TVDmomentum=3.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of conserveMomentum=1.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of thetaM=-1.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of mergeArrays=1.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of computeSediments=0.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of calcage=0.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of agemethod=1.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of calcaverage=0.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of latitude=29.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of gmtoffset=0.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of metmodel=0.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of varmodel=1.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of nugget=0.10 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of sill=0.90 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of range=100000.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of outputNetcdf=0.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of netcdfBdy=0.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of readinitialnc=0.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of Lsw=2.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of Cda=1100.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of Ce=1400.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of Ch=1400.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of hprecond=1.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of prettyplot=0.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of linearFS=0.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of fixdzz=1.00 which was not specified in data/suntans.dat. Warning in MPI_GetValue...retrieved default value of smoothbot=0.00 which was not specified in data/suntans.dat.這里面的參數(shù)包括：
maxFaces=3.00 # 網(wǎng)格的最大邊界數(shù)，默認(rèn)應(yīng)用三角形網(wǎng)格，故取3 ntoutStore=0.00 # TVDsalt=4.00 # 求解鹽度控制方程所選用的TVD格式 TVDtemp=4.00 # 求解溫度控制方程所選用的TVD格式 TVDturb=0.00 # 求解紊流模型控制方程所選用的TVD格式 TVDmomentum=3.00 # 求解動量方程所選用的TVD格式 conserveMomentum=1.00 # 是否進(jìn)行動量的守恒性檢查 thetaM=-1.00 # 求解動量方程所選用的TVD格式 mergeArrays=1.00 # 求解垂向?qū)α黜椀母袷?#xff1b;當(dāng)大于0.5表示隱式，當(dāng)?shù)扔?1表示在UPredictor()中使用了原來的保守方案 computeSediments=0.00 # 是否求解泥沙模塊 calcage=0.00 # 是否模擬水齡 agemethod=1.00 # 水齡模擬的方式 1-使用河流邊界，2-使用內(nèi)部源項 calcaverage=0.00 # 是否計算平均水齡##以下幾個參數(shù)用于熱量和太陽輻射模塊## latitude=29.00 # 緯度，在計算太陽輻射時候使用 gmtoffset=0.00 # 用于修正太陽輻射的參數(shù) metmodel=0.00 # 關(guān)于太陽輻射熱量模型 0-無氣象數(shù)據(jù)輸入，1-COARE3.0,計算輻射短波和長波 varmodel=1.00 # 太陽輻射模型中所用插值方法 0-反距離比例插值，2-克里金法 nugget=0.10 # 克里金插值中所需給定的參數(shù) sill=0.90 # 克里金插值中所需給定的參數(shù) range=100000.00 # 變差函數(shù)參數(shù)范圍 outputNetcdf=0.00 # 輸出文件格式 0-二進(jìn)制格式，1-netcdf格式 netcdfBdy=0.00 # netcdf文件的輸出步頻 readinitialnc=0.00 # 是否采用netcdf格式的初始條件 Lsw=2.00 # Light extinction depth (m) Cda=1100.00 # 阻力系數(shù) Ce=1400.00 # 傳熱系數(shù) Ch=1400.00 # 傳熱系數(shù) ##########################hprecond=1.00 # 對于自由水面方程求解食肉采用預(yù)處理求解器 0-不使用，1-Jacobi預(yù)處理求解器 prettyplot=0.00 # 是否使用二次插值得出的輸出值，若為1則使用；否則，請指定 linearFS=0.00 # 對自由水面求解是否采用線性方法 fixdzz=1.00 # 對底網(wǎng)格高度的處理 0-不調(diào)整，1-假設(shè)底部單元高度必須大于dzsmall*dz[Nkmax-1]，2-假設(shè)底部單元高度必須大于dzsmall smoothbot=0.00 # 在SetFluxHeight和ComputeVelocityVector中是否進(jìn)行平滑處理模型運(yùn)行
考慮到有四個模擬工況，模型代碼中預(yù)載了下面四個指令來分別運(yùn)行。
注意：在每次模擬前，記得先使用make clobber取消編譯；之后再使用上述指令進(jìn)行編譯+運(yùn)行；運(yùn)行結(jié)果生成在 /examples/cylinder/data中。
還需要注意的是使用make clobber會自動刪除 /examples/cylinder/data 這個目錄的文件夾（刪除掉這個data文件夾），所以每次運(yùn)行的結(jié)果記得先存好。
模擬結(jié)果
由上一節(jié)的內(nèi)容可知，模型的時間步長dt=2.5e-3s，共運(yùn)行1600步；ntout=80，故每個文件包含了 1+floor(Nsteps/Ntout) = 21個時間步的流場信息。
利用代碼包/mfiles文件夾下的getcdata.m讀取二進(jìn)制文件，可以獲得每一時間步及每個網(wǎng)格的流場數(shù)據(jù)，使用getcdata函數(shù)的示例參考SUNTANS模型學(xué)習(xí)（2）——用MATLAB工具提取Time Accuracy算例的計算數(shù)據(jù)。
以下展示二維淺水模擬結(jié)果中形成的卡門渦街（水平流速云圖，T = 1600*dt）：
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的SUNTANS模型学习（3）——学习cylinder算例的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： python_dya02_基础运算符
- 下一篇： 报告：黑马11月就业薪资出炉！哪个学科更