ALE 动网格计算核验

2026-10-23 实际完成四个主工况。这里是求解器离线计算后的回放,网页不会实时重算 CFD。全部外边界节点固定,圆柱壁与内域网格按实际结构位移运动;每步在变形网格上重新求解流体速度和压力。

已计算的主工况

所有工况使用相同结构 m*=10、fn=.16、物理阻尼比 ζ=.01,黏度 ν=.01,直径 D=1。时间与速度共同参考尺度固定,便于跨风速比较。

工况URe记录时长 t末40时间窗 y/D 峰值半幅升力谱峰估计 f全程最小单元面积比
低风速.770140.0122.107.9901
近频1100120.2834.161.7784
高风速1.4140120.0399.239.9678
固定圆柱对照11001000.1681

这些是有限时长计算结果,不能把该表称为已收敛的稳态振幅曲线。末40时间窗前后两半的位移 RMS,低风速由 .00377 增至 .00751,近频由 .1801 变为 .1927,高风速由 .02784 变为 .02762;低风速尤其仍在发展。谱估计窗约40,原始分辨率约 .025;零填充只帮助显示谱峰位置,不提供更高测量精度。近频工况确实表现出较大结构运动,但以上四个算例不足以确定完整锁频区间。

已通过的核验

- 独立脚本检查四个主工况的全部保存帧:实际映射的外边界位移为零,圆柱壁刚体随动,内部三角形保持方向,网格位移权重不均匀,因而并非整块网格平移。

- 独立 P2 形函数求导及边界积分重算无滑移、网格速度、弱散度、整体边界流量、压力力与黏性力。气动力与原始记录一致;没有使用预设正弦升力。

- 网格几何的扫掠面积恒等式通过;另一个完整 ALE 常数场制造解测试也通过,速度最大误差约 2.7×10⁻¹⁴。两项检查分别记录,不混为一谈。

- 主工况全时程弱散度残差最高约 2.2×10⁻¹⁴,代数残差最高约 2.4×10⁻¹⁴。这仅反映离散方程求解残差;强散度的空间 RMS 并不为零,见独立报告。

- 结构确实使用前一步 CFD 力推进。独立后退 Euler 能量身份闭合到约 10⁻¹³,包含物理阻尼耗能和单独可计算的数值耗能。

- 同一近频末帧的对流作用量分别用四阶、五阶积分重新装配,相对 L2 差约 0.0082%。这不是重跑比较,不能作为整体响应误差界。

原始证据为 qa/ale-independent-audit.json、qa/ale-constant-field.json、qa/ale-quadrature-action-audit.json;方法与审核脚本均随源码提供。

时间离散的实际限制

主数据 Δt=.05 使用后退 Euler。设置的 ζ=.01 只是物理阻尼,结构积分还有数值阻尼;单独无外力结构的离散特征值对应有效阻尼比约 .0351。将步长减为 .025 时,这个值约 .0226,仍高于物理 .01。不能把动画幅值解释成 ζ=1% 的收敛预测。

相同网格、初值、参数、积分阶数和时长的 Δt=.025 近频工况已实际完成 t=120。两档均取 t=80–120 的相同窗口,结果如下;相对差以较小时间步结果为分母。

指标Δt=.05Δt=.025相对差
位移峰值半幅 A/D.28338.289202.01%
位移 RMS/D.18676.18780.56%
升力系数 RMS.25019.1849535.27%
平均阻力系数1.720931.690701.79%
力和位移谱峰估计约 .161约 .161同一有限分辨率下接近

位移幅值较接近,但升力波动对时间步明显敏感,不能只用“位移差2%”便宣称总体时间收敛。两档的数值阻尼仍不可忽略,也没有进行第三档时间步或空间网格收敛研究。结果原始记录为 qa/ale-time-step-sensitivity.json;半步算例仅用于验证,没有替换或混入四个主工况的网页回放。

半步算例直接保存了全部240帧实际节点坐标,也已通过独立检查:外边界位移为零、P2壁面无滑移误差为零、最大弱散度约3.35×10⁻¹⁴、净边界流量约4.93×10⁻¹⁴、独立应力积分与记录力之差约4.44×10⁻¹⁶。结构离散能量身份闭合约1.0×10⁻¹⁴;其数值耗能/物理阻尼耗能比仍为1.26,主步长约为2.51。因此幅值接近并未消除数值阻尼这一限制。

未完成空间网格收敛和高雷诺数桥梁截面验证。当前结果适合演示“气动力驱动结构—结构运动改变网格与流场”的因果链,不用于工程响应预测。