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論文中文名稱:PISO算法之物件導向程式架構設計 [以論文名稱查詢館藏系統]
論文英文名稱:Framework Design of Object-Oriented Programming of PISO Algorithm [以論文名稱查詢館藏系統]
院校名稱:臺北科技大學
學院名稱:工程學院
系所名稱:土木與防災研究所
畢業學年度:100
出版年度:101
中文姓名:王俊盛
英文姓名:Chun-Sheng Wang
研究生學號:99428015
學位類別:碩士
語文別:中文
口試日期:2012-07-19
論文頁數:254
指導教授中文名:黃昭勳;王仁佐
指導教授英文名:Chao-Hsun Huang;Ren-Zuo Wang
口試委員中文名:蕭輔沛;張慰慈
口試委員英文名:Fu-Pei Hsiao;Wei-Tze Chang
中文關鍵詞:有限體積法PISO算法計算流體動力學(CFD)
英文關鍵詞:FVMPISOCFD
論文中文摘要:本文主要研究以物件導向程式語言C++為基礎,建立一套計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)中迭代求解壓力場及速度分布的運算子分裂的壓力隱式算法(Pressure Implicit with Splitting of Operator, PISO)。所採用的數值計算方法為現今廣泛應用的有限體積法(Finite Volume Method, FVM),其主要用來求解瞬態不可壓縮流體動力學問題。本研究最大之特點在於整體程式架構之設計乃結合FVM與PISO方法之基本觀念與演算程序設計而成,因此將程式類別主要分成三大部份,分別為流場 (Field)類別與壓力控制容積(Pressure-Control Volume)與及速度控制容積(Velocity-Control Volume),其中速度控制容積類別又可分為u控制容積(u-Control Volume)、v控制容積(v-Control Volume)及w控制容積(w-Control Volume)三個方向速度分量之類別。為了詳細說明各類別之內容與類別間關係,採用統一建模語言UML(Unified Modeling Language)來說明整個程式架構設計與運作流程,此外為了瞭解程式演算程序之正確性,進行流體熱傳導之數值算例的分析,經由運算結果可知,有限體積法解出的數值解精確度非常高。
論文英文摘要:In this study, a new framework for the computational fluid dynamics (CFD) using the object-oriented programming language C++ is developed. The CFD method is pressure implicit with splitting of operator (PISO) algorithm. It is the finite volume method (FVM), and can be used to solve the transient incompressible fluid dynamics. The largest feature of this study, the overall framework design is combined with basic concepts of the FVM and the PISO method. The framework is divided into the flow field (Field) class, the pressure control volume (Pressure-control volume) class and the velocity control volume (velocity-control volume) class, respectively. In addition, the velocity control volume class can be divided into the u-control volume class, the v-control volume class and the w-control volume class, respectively. In order to describe the class contents and relationships, the unified modeling language (UML) is adopted. According to the numerical results of the heat flow analysis, it can prove that the framework is the effective and accurate for the analysis of the transient incompressible fluid dynamic responses.
論文目次:中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vii
圖目錄 xi
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 3
1.3 論文內容 5
第二章 理論介紹 7
2.1 流體與流動的特性 7
2.1.1 理想流體與黏性流體 7
2.1.2 流體熱傳導及擴散 7
2.1.3 可壓縮流體與不可壓縮流體 7
2.1.4 穩態與瞬態流動 8
2.2 計算流體動力學概述 8
2.2.1 計算流體動力學的控制方程及通用形式 8
2.2.1.1 質量守恆方程 8
2.2.1.2 動量守恆方程 9
2.2.1.3 能量守恆方程 11
2.2.1.4 通用運輸方程 12
2.2.2 計算流體動力學的特點 13
2.2.3 計算流體動力學的應用領域 14
2.2.4 計算流體動力學的數值計算方法 14
2.3 有限體積法介紹及應用 14
2.3.1 有限體積法的基本觀念 15
2.3.2 網格劃分 17
2.3.2.1 非交錯網格系統 18
2.3.2.2 交錯網格系統 21
2.3.3 動量及連續性方程的離散 25
2.3.3.1 u動量離散方程之推導 26
2.3.3.2 v動量離散方程之推導 33
2.3.3.3 w動量離散方程之推導 40
2.3.3.4 連續性離散方程之推導 47
2.4 SIMPLE及PISO算法介紹 48
2.4.1 壓力修正方程的推導 48
2.4.2 SIMPLE算法介紹 53
2.4.3 第二次壓力修正方程的推導 55
2.4.4 PISO算法介紹 59
2.5 邊界條件處理 61
第三章 程式架構介紹 73
3.1 PISO程式架設計簡介 73
3.1.1 程式基本想法 73
3.1.2 整體類別架構圖 75
3.2 類別ControlVolumeVelocityX介紹 76
3.2.1 簡介 76
3.2.2 資料成員及函數成員介紹 79
3.3 類別ControlVolumeVelocityY介紹 86
3.3.1 簡介 86
3.3.2 資料成員及函數成員介紹 89
3.4 類別ControlVolumeVelocityZ介紹 96
3.4.1 簡介 96
3.4.2 資料成員及函數成員介紹 99
3.5 類別ControlVolumePressure介紹 106
3.5.1 簡介 106
3.5.2 資料成員及函數成員介紹 109
3.6 類別Field介紹 114
3.6.1 簡介 114
3.6.2 資料成員及函數成員介紹 114
第四章 數值算例分析 119
4.1 一維穩態熱傳導問題分析(無內熱源) 119
4.2 一維穩態熱傳導問題分析(有內熱源) 120
4.3 一維穩態對流擴散問題分析 123
4.4 二維穩態熱傳導問題分析 124
4.5 二維穩態對流擴散問題分析 126
4.6 一維瞬態熱傳導問題分析 127
4.6.1 顯式計算格式 129
4.6.2 Crank-Nicolson計算格式 130
4.6.3 全隱計算格式 131
第五章 結論與建議 133
5.1 結論 133
5.2 建議 133
參考文獻 135
附錄
A 類別ControlVolumeVelocityX之函數成員說明 137
B 類別ControlVolumeVelocityY之函數成員說明 165
C 類別ControlVolumeVelocityZ之函數成員說明 193
D 類別ControlVolumePressure之函數成員說明 221
E 類別Field之函數成員說明 239
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論文全文使用權限:同意授權於2017-08-23起公開