王 誠,周 振,石少卿,陳 暲
(中國人民解放軍后勤工程學院 a.軍事土木工程系;b.國家救災應急裝備工程技術研究中心; c.國防建筑規(guī)劃與環(huán)境工程系,重慶 401311)
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試射法求解二維層流邊界層中的Falkner-Skan方程
王誠a,周振b,石少卿a,陳暲c
(中國人民解放軍后勤工程學院a.軍事土木工程系;b.國家救災應急裝備工程技術研究中心; c.國防建筑規(guī)劃與環(huán)境工程系,重慶401311)
摘要:研究了不可壓縮的粘性流體繞流楔形物體的Falkner-Skan方程,通過Matlab程序采用試射法求出了Falkner-Skan方程的數(shù)值解,說明試射法是求解Falkner-Skan方程的一種有效解法。
關鍵詞:Falkner-Skan方程;試射法;數(shù)值解
流體力學中常常會遇到微分方程組的求解問題,雖然部分特殊的方程組可通過解析法求解,但大部分微分方程組主要借助于數(shù)值法求解。常見的數(shù)值解法主要有龍格-庫塔法、蒙特卡洛法、吉爾法等[1]。
試射法可用于偏微分方程組的求解,其原理是將邊值問題轉換為初值問題求解:通過對方程初略的分析,先取定一個初值;再聯(lián)合原方程組中的邊界條件作為初值條件,逐步推進求解;求解至另一個已知邊界條件時,比較兩者間的差異,決定是否結束計算或修正初值重復求解[1-4]。
1Falkner-Skan方程
不可壓縮流體二維定常流動的邊界層方程為
當
即
ue=Cx1-2α=Cxm
采用流函數(shù)的形式,邊界層方程化為
式中:β是壓力梯度;β>0為順壓梯度;β<0為逆壓梯度。
Falkner-Skan方程是V.M.Falkner和S.W.Skan于1931年首先提出,由相似變換將二維二階偏微分方程轉化為一個一維三階常微分方程,是描述不可壓縮的黏性流體繞流楔形物體的方程[5-8]。
2基于Matlab的試射法求解
2.1求解思路
基于Matlab采用試射法求解,流程如圖1所示。
圖1 求解Falkner-Skan方程數(shù)值解流程
1) 用Matlab中求常微分方程數(shù)值解的函數(shù)ode45求解。將方程改寫為ode45的標準格式。令y(1)=f, y(2)=f ′, y(3)=f ″,原方程轉化為:
邊界條件為:
但此時沒有初值f ″(0),不符合ode45函數(shù)的計算條件,所以應當將其求出。
2) 先假定一個,如f ″(0)=0.5,則利用試射法,通過循環(huán)語句求解方程。當求出f ′的數(shù)值與f ′(∞)=1的差值小于給定精度時(本文的給定精度為10-5),循環(huán)停止。
4) 最后繪出圖像。
2.2Matlab求解程序
M文件(hanshu.m)
function dy=hanshu(x,y)
dy=zeros(3,1);
dy(1)=y(2);
dy(2)=y(3);
dy(3)=-(0)*(1-(y(2))^2)-y(1)*y(3);
end
主程序(main.m)
clc;
clear all;
close all;
global BT;
bt=[0,1/10,1/8,1/6,1/4,1/2,1];%β依次為0,1/10,1/8,1/6,1/4,1/2,1
jiashe=0.99;%假設f ″(0)的初值為0.99
mubiao=1;%f ′(∞)=1為目標值
for i=1:7 %β循環(huán)7次
BT=bt(i);
g0=jiashe;
y0=[0,0,g0];
[x,y]=ode45(′hanshu′,[0:0.03:5.5],y0); %Matlab自帶解常微分方程的函數(shù)
t1=y(end,2);%取矩陣最后一行第二個元素值f ′
g1=1.1*g0; %更新f ″(0)
y0=[0,0,g1];
[x,y]=ode45(′hanshu′,[0:0.03:5.5],y0);
t2=y(end,2);
while abs(t2-mubiao)>=10^(-5)%比較f ″與f ′(∞)=1
g=g1+(g1-g0)*(mubiao-t2)/(t2-t1);%試射法修正f ″(0)
t1=t2;
y0=[0,0,g];
[x,y]=ode45(′hanshu′,[0:0.03:5.5],y0);
t2=y(end,2);
g0=g1;
g1=g;
end
3求解結果
運行程序,求得數(shù)值解,繪出的曲線如圖2所示。由圖2(b)的f′(η)曲線可以看出:在順壓梯度下,邊界層逐漸變薄,這與以往的結論一致[3]。
圖2 Falkner-Skan方程數(shù)值解曲線
4結束語
本文利用Matlab編程,采用試射法計算求解了二維層流邊界層中的Falkner-Skan方程,結果表明:試射法是求解Falkner-Skan方程的一種有效方法。
參考文獻:
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(責任編輯劉舸)
Application of Liner Shooting Method for Falkner-Skan Equation in Two-Dimension Boundary Layer
WANG Chenga, ZHOU Zhenb, SHI Shao-qinga, CHEN Zhangc
(a.Department of Civil Engineering; b.Engineering and Technological Research Center of National Disaster Relief Equipment;c.Department of National Defense Architecture Planning & Environmental Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)
Abstract:The Falkner-Skan equation for incompressible viscous fluids flowing around wedge was introduced. By using the Matlab and liner shooting method, numerical solutions were done. It shows that liner shooting method is an effective way to solve the Falkner-Skan equation.
Key words:Falkner-Skan equation; liner shooting method; numerical solution
收稿日期:2015-12-26
基金項目:國家自然科學基金資助項目(51378495)
作者簡介:王誠(1991—),男,碩士研究生,主要從事防災減災工程研究。
doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.05.010
中圖分類號:O643.1
文獻標識碼:A
文章編號:1674-8425(2016)05-0053-04
引用格式:王誠,周振,石少卿,等.試射法求解二維層流邊界層中的Falkner-Skan方程[J].重慶理工大學學報(自然科學),2016(5):53-56.
Citation format:WANG Cheng, ZHOU Zhen, SHI Shao-qing,et al.Application of Liner Shooting Method for Falkner-Skan Equation in Two-Dimension Boundary Layer[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science),2016(5):53-56.