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。
流体速度u,特征长度,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成反比。
其中,
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
流入条件
密度
2 5 8
\ | /
1–>4<–7
/ | \
0 3 6
因为
定义
同时
速度方向的分量
因此
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
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。
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
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
在D2Q9模型中
速度
6 3 0
\ | /
7<–4–>1
/ | \
8 5 2
(1,1), (1,0), (1,-1)
(0,1), (0,0), (0,-1)
(-1,1), (-1,0), (-1,-1)
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
# 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
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
mid-grid bounce-back
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()