# include<iostream>
# include<cmath>
# include<cstdlib>
# include<iomanip>
# include<fstream>
# include<sstream>
# include<string>
using namespace std;
const int Q=9; //D2Q9模型
const int NX=127; //x方向
const int NY=127; //y方向
const double U=0.05; //顶盖速度
int e[Q][2]={{0,0},{1,0},{0,1},{-1,0},{0,-1},{1,1},{-1,1},{-1,-1},{1,-1}};
double w[Q]={4.0/9,1.0/9,1.0/9,1.0/9,1.0/9,1.0/36,1.0/36,1.0/36,1.0/36};
double rho[NX+1][NY+1],u[NX+1][NY+1][2],u0[NX+1][NY+1][2],f[NX+1][NY+1][Q],F[NX+1][NY+1][Q];
int i,j,k,ip,jp,n;
double c,Re,dx,dy,Lx,Ly,dt,rho0,P0,tau_f,niu,error;
void init();
double feq(int k,double rho,double u[2]);
void evolution();
void output(int m);
void Error();
int main()
{
using namespace std;
init();
for(n=1; ;n++)
{
evolution();
if(n%10==0)
{
Error();
cout<<"the"<<n<<"th computation result:"<<endl<<"The u,v of point (NX/2,NY/2) is:"<<setprecision(6)<<u[NX/2][NY/2][0]<<","<<u[NX/2][NY/2][1]<<endl;
cout<<"The max relative error of uv is:"<<setiosflags(ios::scientific)<<error<<endl;
if(n>=10)
{if(n%10==0)
output(n);
if(error<1.0e-6)
break;
}
}
}
return 0;
}
void init()
{
dx=1.0;
dy=1.0;
Lx=dx*double(NY);
Ly=dy*double(NX);
dt=dx;
c=dx/dt; //1.0
rho0=1.0;
Re=100;
niu=U*Lx/Re;
tau_f=3.0*niu+0.5;
std::cout<<"tau_f="<<tau_f<<endl;
for(i=0;i<=NX;i++) //初始化
for(j=0;j<=NY;j++)
{
u[i][j][0]=0;
u[i][j][1]=0;
rho[i][j]=rho0;
u[i][NY][0]=U;
for(k=0;k<Q;k++)
{
f[i][j][k]=feq(k,rho[i][j],u[i][j]);
}
}
}
double feq(int k,double rho,double u[2]) //计算平衡态分布函数
{
double eu,uv,feq;
eu=(e[k][0]*u[0]+e[k][1]*u[1]);
uv=(u[0]*u[0]+u[1]*u[1]);
feq=w[k]*rho*(1.0+3.0*eu+4.5*eu*eu-1.5*uv);
return feq;
}
void evolution()
{
for(i=1;i<NX;i++) //演化
for(j=1;j<NY;j++)
for(k=0;k<Q;k++)
{
ip=i-e[k][0];
jp=j-e[k][1];
F[i][j][k]=f[ip][jp][k]+(feq(k,rho[ip][jp],u[ip][jp])-f[ip][jp][k])/tau_f;
}
for(i=1;i<NX;i++) //计算宏观量
for(j=1;j<NY;j++)
{
u0[i][j][0]=u[i][j][0];
u0[i][j][1]=u[i][j][1];
rho[i][j]=0;
u[i][j][0]=0;
u[i][j][1]=0;
for(k=0;k<Q;k++)
{f[i][j][k]=F[i][j][k];
rho[i][j]+=f[i][j][k];
u[i][j][0]+=e[k][0]*f[i][j][k];
u[i][j][1]+=e[k][1]*f[i][j][k];
}
u[i][j][0]/=rho[i][j];
u[i][j][1]/=rho[i][j];
}
//边界处理
for(j=1;j<NY;j++) //左右边界
for(k=0;k<Q;k++)
{
rho[NX][j]=rho[NX-1][j];
f[NX][j][k]=feq(k,rho[NX][j],u[NX][j])+f[NX-1][j][k]-feq(k,rho[NX-1][j],u[NX-1][j]);
rho[0][j]=rho[1][j];
f[0][j][k]=feq(k,rho[0][j],u[0][j])+f[1][j][k]-feq(k,rho[1][j],u[1][j]);
}
for(i=0;i<=NX;i++) //上下边界
for(k=0;k<Q;k++)
{
rho[i][0]=rho[i][1];
f[i][0][k]=feq(k,rho[i][0],u[i][0])+f[i][1][k]-feq(k,rho[i][1],u[i][1]);
rho[i][NY]=rho[i][NY-1];
u[i][NY][0]=U;
f[i][NY][k]=feq(k,rho[i][NY],u[i][NY])+f[i][NY-1][k]-feq(k,rho[i][NY-1],u[i][NY-1]);
}
}
void output(int m) //输出
{
ostringstream name;
name<<"cavity_"<<m<<".dat";
ofstream out(name.str().c_str());
out<<"Title=\"LBM Lid Driven Flow\"\n"<<"VARIABLES=\"X\",\"Y\",\"U\",\"V\"\n"<<"ZONE T=\"BOX\",I="<<NX+1<< ",J="<<NY+1<< ",F=point"<<endl;
for(j=122;j<=123;j++)
for(i=122;i<=123;i++)
{
out<<double(i)/Lx<<" "<<double(j)/Ly<<" "<<u[i][j][0]<<" "<<u[i][j][1]<<endl;
}
}
void Error()
{
double temp1,temp2;
temp1=0;
temp2=0;
for(i=1;i<NX;i++)
for(j=1;j<NY;j++)
{
temp1+=((u[i][j][0]-u0[i][j][0])*(u[i][j][0]-u0[i][j][0])+(u[i][j][1]-u0[i][j][1])*(u[i][j][1]-u0[i][j][1]));
temp2+=(u[i][j][0]*u[i][j][0]+u[i][j][1]*u[i][j][1]);
}
temp1=sqrt(temp1);
temp2=sqrt(temp2);
error=temp1/(temp2+1e-30);
}
cPP.rar_格子玻尔兹曼_顶盖驱动流
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2022-09-20
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