試射法求解二維層流邊界層中的Falkner-Skan方程

王　誠，周　振，石少卿，陳　暲

(中國人民解放軍后勤工程學院　a.軍事土木工程系；b.國家救災應急裝備工程技術研究中心； c.國防建筑規劃與環境工程系，重慶　401311)

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試射法求解二維層流邊界層中的Falkner-Skan方程

王誠a，周振b，石少卿a，陳暲c

(中國人民解放軍后勤工程學院a.軍事土木工程系；b.國家救災應急裝備工程技術研究中心； c.國防建筑規劃與環境工程系，重慶401311)

摘要：研究了不可壓縮的粘性流體繞流楔形物體的Falkner-Skan方程，通過Matlab程序采用試射法求出了Falkner-Skan方程的數值解，說明試射法是求解Falkner-Skan方程的一種有效解法。

關鍵詞：Falkner-Skan方程；試射法；數值解

流體力學中常常會遇到微分方程組的求解問題，雖然部分特殊的方程組可通過解析法求解，但大部分微分方程組主要借助于數值法求解。常見的數值解法主要有龍格-庫塔法、蒙特卡洛法、吉爾法等[1]。

試射法可用于偏微分方程組的求解，其原理是將邊值問題轉換為初值問題求解：通過對方程初略的分析，先取定一個初值；再聯合原方程組中的邊界條件作為初值條件，逐步推進求解；求解至另一個已知邊界條件時，比較兩者間的差異，決定是否結束計算或修正初值重復求解[1-4]。

1Falkner-Skan方程

不可壓縮流體二維定常流動的邊界層方程為

當

即

ue=Cx1-2α=Cxm

采用流函數的形式，邊界層方程化為

式中：β是壓力梯度；β>0為順壓梯度；β<0為逆壓梯度。

Falkner-Skan方程是V．M．Falkner和S．W．Skan于1931年首先提出，由相似變換將二維二階偏微分方程轉化為一個一維三階常微分方程，是描述不可壓縮的黏性流體繞流楔形物體的方程[5-8]。

2基于Matlab的試射法求解

2.1求解思路

基于Matlab采用試射法求解，流程如圖1所示。

圖1　求解Falkner-Skan方程數值解流程

1) 用Matlab中求常微分方程數值解的函數ode45求解。將方程改寫為ode45的標準格式。令y(1)=f, y(2)=f ′, y(3)=f ″，原方程轉化為：

邊界條件為：

但此時沒有初值f ″(0)，不符合ode45函數的計算條件，所以應當將其求出。

2) 先假定一個，如f ″(0)=0.5，則利用試射法，通過循環語句求解方程。當求出f ′的數值與f ′(∞)=1的差值小于給定精度時(本文的給定精度為10-5)，循環停止。

4) 最后繪出圖像。

2.2Matlab求解程序

M文件(hanshu.m)

function dy=hanshu(x,y)

dy=zeros(3,1);

dy(1)=y(2);

dy(2)=y(3);

dy(3)=-(0)*(1-(y(2))^2)-y(1)*y(3);

end

主程序(main.m)

clc;

clear all;

close all;

global BT;

bt=[0,1/10,1/8,1/6,1/4,1/2,1];%β依次為0,1/10,1/8,1/6,1/4,1/2,1

jiashe=0.99;%假設f ″(0)的初值為0.99

mubiao=1;%f ′(∞)=1為目標值

for i=1:7 %β循環7次

BT=bt(i);

g0=jiashe;

y0=[0,0,g0];

[x,y]=ode45(′hanshu′,[0:0.03:5.5],y0); %Matlab自帶解常微分方程的函數

t1=y(end,2);%取矩陣最后一行第二個元素值f ′

g1=1.1*g0; %更新f ″(0)

y0=[0,0,g1];

[x,y]=ode45(′hanshu′,[0:0.03:5.5],y0);

t2=y(end,2);

while abs(t2-mubiao)>=10^(-5)%比較f ″與f ′(∞)=1

g=g1+(g1-g0)*(mubiao-t2)/(t2-t1);%試射法修正f ″(0)

t1=t2;

y0=[0,0,g];

[x,y]=ode45(′hanshu′,[0:0.03:5.5],y0);

t2=y(end,2);

g0=g1;

g1=g;

end

3求解結果

運行程序，求得數值解，繪出的曲線如圖2所示。由圖2(b)的f′(η)曲線可以看出：在順壓梯度下，邊界層逐漸變薄，這與以往的結論一致[3]。

圖2　Falkner-Skan方程數值解曲線

4結束語

本文利用Matlab編程，采用試射法計算求解了二維層流邊界層中的Falkner-Skan方程，結果表明:試射法是求解Falkner-Skan方程的一種有效方法。

參考文獻：

[1]范蔭恒,劉曉明,劉丹竹.試射法解二階線性常微分方程模擬反應動力學過程[J].實驗技術與管理,2007,24(11):46-48.

[2]帕力旦·賽力提尼亞孜,張知難.試射法在求解二階線性微分方程邊值問題中的應用[J].新疆大學學報(自然科學版),2006,23(1):39-43.

[3]徐靜,鄧光.非線性一般兩點邊值問題的試射法[J].內江科技,2006(8):77.

[4]徐自新.微分方程近似解[M].上海：華東化工學院出版社，1990.

[5]鄭連存,溫安國,張欣欣.Falkner-Skan方程的近似解析解[J].計算力學學報,2008(4):506-510.

[6]楊建超,康宏春.Falkner-Skan方程的某些新結果[J].成都信息工程學院學報,2009(6):608-610.

[7]李林漢,姜偉.基于同倫分析的Falkner-Skan方程近似解[J].廊坊師范學院學報(自然科學版),2013(1):11-14.

[8]羅敏,胡建成.邊界層理論中Falkner-Skan方程的數值解[J].四川大學學報(自然科學版),2012,49(3):514-516.

(責任編輯劉舸)

Application of Liner Shooting Method for Falkner-Skan Equation in Two-Dimension Boundary Layer

WANG Chenga, ZHOU Zhenb, SHI Shao-qinga, CHEN Zhangc

(a.Department of Civil Engineering; b.Engineering and Technological Research Center of National Disaster Relief Equipment;c.Department of National Defense Architecture Planning & Environmental Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)

Abstract:The Falkner-Skan equation for incompressible viscous fluids flowing around wedge was introduced. By using the Matlab and liner shooting method, numerical solutions were done. It shows that liner shooting method is an effective way to solve the Falkner-Skan equation.

Key words:Falkner-Skan equation; liner shooting method; numerical solution

收稿日期：2015-12-26

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51378495)

作者簡介：王誠(1991—)，男，碩士研究生，主要從事防災減災工程研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.05.010

中圖分類號：O643.1

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)05-0053-04

引用格式：王誠，周振，石少卿，等.試射法求解二維層流邊界層中的Falkner-Skan方程[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(5):53-56.

Citation format：WANG Cheng, ZHOU Zhen, SHI Shao-qing,et al.Application of Liner Shooting Method for Falkner-Skan Equation in Two-Dimension Boundary Layer[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(5):53-56.