在 基础上进行理解,重写,补充。

from numpy import *
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib import cm

雷诺数(Re)是反应粘性和惯性之间平衡的无量纲数。
python钢筋混凝土结构配筋图库_迭代
流体速度u,特征长度python钢筋混凝土结构配筋图库_迭代_02python钢筋混凝土结构配筋图库_python钢筋混凝土结构配筋图库_03流体粘度
低速、高粘度和封闭的流体条件导致低Re,粘性力占主导地位。如果Re<<1,这种流体被称为Stokes或者Creeping flow. 由于孔径小,这种流动在许多多孔介质中的液体中是很常见的。
omega 松弛频率
如果python钢筋混凝土结构配筋图库_f5_04很小,流体只能缓慢地收敛到其平衡状态:高粘性。
流体的粘性与松弛参数python钢筋混凝土结构配筋图库_f5_04成反比。
python钢筋混凝土结构配筋图库_python钢筋混凝土结构配筋图库_06
其中,python钢筋混凝土结构配筋图库_f5_07

maxIter = 200000  # 迭代次数
Re = 220.0         # 雷诺数
uLB = 0.04        # 模型的入口速度
nx, ny = 420, 180 # x, y轴长度
ly = ny-1         # 用于计算入口,为模型增加扰动,当雷诺数较小时,计算缺少扰动
cx, cy, r = nx//4, ny//2, ny//9  # 圆柱坐标
nulb = uLB*r/Re   # 粘性系数
omega = 1/(3*nulb+0.5)  # 松弛频率

python钢筋混凝土结构配筋图库_f5_08

流入条件

密度

2   5   8
\  | /
1–>4<–7
/  |  \
0   3   6

因为

python钢筋混凝土结构配筋图库_迭代_09

python钢筋混凝土结构配筋图库_python钢筋混凝土结构配筋图库_10

定义

python钢筋混凝土结构配筋图库_python钢筋混凝土结构配筋图库_11

同时

python钢筋混凝土结构配筋图库_f5_12

python钢筋混凝土结构配筋图库_python_13速度python钢筋混凝土结构配筋图库_迭代_14方向的分量

因此

python钢筋混凝土结构配筋图库_迭代_15

rho[0,:] = 1/(1-u[0,0,:])*(sum(fin[col2,0,:],axis=0)+2*sum(fin[col3,0,:],axis=0))

流入侧f0 f1 f2的密度分布函数

python钢筋混凝土结构配筋图库_迭代_16

密度总是接近于他们的平衡状态。
首先将未知密度分布函数初始化为其平衡值。
随后,检查相反分布函数偏离平衡的程度,再加上这个值作为修正。

python钢筋混凝土结构配筋图库_f5_17

fin[[0,1,2],0,:] = feq[[0,1,2],0,:] + fin[[8,7,6],0,:] - feq[[8,7,6],0,:]
v = array([[1,1], [1,0], [1,-1],
           [0,1], [0,0], [0,-1],
           [-1,1], [-1,0], [-1,-1]])

t = array([1/36, 1/9, 1/36,
          1/9, 4/9, 1/9,
          1/36, 1/9, 1/36])

col1 = array([0, 1, 2])
col2 = array([3, 4, 5])
col3 = array([6, 7, 8])

密度

python钢筋混凝土结构配筋图库_迭代_09

rho = zeros((nx, ny))
for ix in range(nx):
    for iy in range(ny):
        rho[ix, iy] = 0
        for i in range(9):
            rho[ix, iy] += fin[i, ix, iy]

压力
压力正比于密度,根据理想气体状态方程,在等温气体中
python钢筋混凝土结构配筋图库_python钢筋混凝土结构配筋图库_19
在D2Q9模型中
python钢筋混凝土结构配筋图库_python_20

速度

6   3   0
\  | /
7<–4–>1
/  |  \
8   5   2

python钢筋混凝土结构配筋图库_python_21(1,1), python钢筋混凝土结构配筋图库_python_22(1,0), python钢筋混凝土结构配筋图库_python钢筋混凝土结构配筋图库_23(1,-1)
python钢筋混凝土结构配筋图库_f5_24(0,1), python钢筋混凝土结构配筋图库_迭代_25(0,0), python钢筋混凝土结构配筋图库_python钢筋混凝土结构配筋图库_26(0,-1)
python钢筋混凝土结构配筋图库_python钢筋混凝土结构配筋图库_27(-1,1), python钢筋混凝土结构配筋图库_python_28(-1,0), python钢筋混凝土结构配筋图库_python_29(-1,-1)

python钢筋混凝土结构配筋图库_python钢筋混凝土结构配筋图库_10

v = np.array([[1,1], [1,0], [1,-1], [0,1], [0,0], [0,-1], [-1,1], [-1,0], [-1,-1]])
u = zeros((2, nx, ny))
for ix in range(nx):
    for iy in range(ny):
        u[0, ix, iy] = 0
        u[1, ix, iy] = 0
        for i in range(9):
            u[0,ix,iy] += v[i,0]*fin[i,ix,iy]
            u[1,ix,iy] += v[i,1]*fin[i,ix,iy]
def macroscopic(fin):
    rho = sum(fin, axis=0)
    u = zeros((2, nx, ny))
    for i in range(9):
        u[0,:,:] += v[i,0] * fin[i,:,:]
        u[1,:,:] += v[i,1] * fin[i,:,:]
    u /= rho
    return rho, u

平衡方程
python钢筋混凝土结构配筋图库_迭代_16

# 平衡态计算
def equilibrium(rho, u):
    usqr = 3/2 * (u[0]**2 + u[1]**2)
    feq = zeros((9, nx, ny))
    for i in range(9):
        cu = 3 * (v[i,0]*u[0,:,:] + v[i,1]*u[1,:,:])
        feq[i,:,:] = rho*t[i] * (1 + cu + 0.5*cu**2 - usqr)
    return feq

碰撞

python钢筋混凝土结构配筋图库_python钢筋混凝土结构配筋图库_32

fout = fin-omega*(fin-eq)

迁移

for ix in range(nx):
    for iy in range(ny):
        for i in range(9):
            next_x = ix + v[i,0]
            if next_x<0:
                next_x = nx-1
            if next_x>=nx:
                next_y = 0
            
            next_y = iy + v[i,1]
            if next_y<0:
                next_y = ny-1
            if next_y>=ny:
                next_y = 0    
            
            fin[i,next_x,next_y] = fout[i,ix,iy]

np.roll(a,shift,axis=None) 将数组a,沿着axis方向,滚动shift长度
可改写成

for i in range(9):
    fin[i, :, :] = roll(roll(fout[i,:,:],v[i,0], axis=0), v[i,1], axis=1)

边界条件
Bounce-back BCs
反弹边界条件是处理静止无滑移壁面的一类常用格式,是指当离散分布函数到达边界节点时,将沿着其进入的方向散射回流体,包括on-grid bounce-back(边界与晶格点对齐)和 mid-grid bounce-back(边界在界外节点和界内节点之间的中心)。

on-grid bounce-back

python钢筋混凝土结构配筋图库_python_33

mid-grid bounce-back

python钢筋混凝土结构配筋图库_迭代_34

python钢筋混凝土结构配筋图库_f5_35

python钢筋混凝土结构配筋图库_迭代_36

for i in range(9):
    fout[i,obstacle] = fin[8-i, obstacle]
def obstacle_fun(x, y):
    return (x-cx)**2 + (y-cy)**2 < r**2

fromfunction从函数中创建数组,返回数组,符合条件值为True,不符合为False。

obstacle = fromfunction(obstacle_fun, (nx, ny))
# 初始速度曲线:几乎为零,有一个轻微的扰动来触发不稳定。
def inivel(d, x, y):
    return (1-d) * uLB * (1+1e-4*sin(y/ly*2*pi))
vel = fromfunction(inivel, (2, nx, ny))
# 以给定的速度初始化处于平衡状态的种群
fin = equilibrium(1, vel)
for time in range(maxIter):
    # 右边界分布函数
    fin[col3, -1, :] = fin[col3, -2, :]
    
    #计算宏观密度和速度
    rho, u = macroscopic(fin)
    
    # 重新计算左边界的分布函数
    u[:, 0, :] = vel[:, 0, :]
    rho[0,:] = 1/(1-u[0,0,:]) * (sum(fin[col2,0,:], axis=0) + 2*sum(fin[col3,0,:], axis=0))
    
    # 计算平衡态
    feq = equilibrium(rho, u)
    fin[[0,1,2],0,:] = feq[[0,1,2],0,:]+fin[[8,7,6],0,:]-feq[[8,7,6],0,:]
    
    # 碰撞过程
    fout = fin - omega * (fin - feq)
    
    # 对圆柱内节点进行反弹
    for i in range(9):
        fout[i, obstacle] = fin[8-i, obstacle]
    
    # 扩散过程
    for i in range(9):
        fin[i, :, :] = roll(roll(fout[i,:,:],v[i,0], axis=0), v[i,1], axis=1)
        
    # 可视化
    if (time%100==0):
        plt.clf()
        plt.imshow(sqrt(u[0]**2+u[1]**2).transpose(), cmap=cm.Reds)
        plt.savefig("/share/home/yszhang/PBS/LBM/pic/"+str(time//100)+".jpg")
import cv2

file_dir = '/pic/'
video = cv2.VideoWriter('video.avi',cv2.VideoWriter_fourcc(*'MJPG'),5,(1280,720))

for i in range(2000):
    img = cv2.imread(file_dir+str(i)+'.jpg')     
    img = cv2.resize(img,(1280,720))
    video.write(img)

video.release()