面向对象的CFD程序设计实验——[08]

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在上一个报告[07]中初步确定了求解子系统的基本结构,然而这里还是做一些进一步分析。


Solver的继承层次
根据不同的问题(Euler方程、可压缩NS方程和不可压缩NS方程)或者求解方法(FVM,FEM,LBM……),Solver是不同的。而且Solver还具有一个负责具体计算的Integrator类,和数值边界条件都是和具体的Solver相关的。比如因此需要构造一个Solver基类,然后由此衍生不同类问题的Solver,同时衍生对应的Integrator和数值边界条件。

就Solver本身的任务来说,基本上是:
1 创建必要的辅助数组。对于LBM来说,主要是各个平衡函数;对于FVM来说,主要是各个cell界面的通量;对于FEM来说,主要是局部的矩阵。
2 调用Integrator的Advance方法完成单步推进。其实Integrator只是根据一定的算法操作Solver提供的数组,同时需要Mesh提供足够的几何信息。
3 调用NumericalBoundaryCondition的ImposeBC来完成边界条件施加。同样,NumericalBoundaryCondition也只是根据一定的算法操作Solver提供的数组,同时需要Mesh提供足够的有关边界的几何信息(如边界法向等)。
4 计算流场在两个时间步之间的误差范数,这个只是针对宏观量数组的代数操作。
5 计算时间步长,其实这个任务由具体的Integrator根据流场和网格尺度计算得到,Solver只是提供上层接口。
6 将关键数组输出到CheckPoint文件。

为了进一步确定基类Solver的接口,我绘制了求解过程的顺序图。
这样,Solve基类的接口基本确定为:

// 由当前时刻c_time以dt为时间步长推进一步
 virtual int Tick (double c_time, double dt);
// 初始化Solver
 virtual int Init ();
// 将必要数组写入CheckPoint文件待ReStart
 virtual int CheckPoint (const string &casename,
                    const double cur_time,
                    const int NIter);
// 计算流场误差模,由于只是2D单相流solver,所以独立变量只有4个
 virtual double ErrorNorm (double err[4]);
// 流场初始化
 virtual int Initialization ();
// 计算时间步长
 virtual double ComputeTimeStep ();
// 设置新/旧时间层的网格和解变量数组
 void SetField (const Mesh* mesh, const DataFunction* FieldData,
                    const bool OldNew);

对于不同的具体Solver,这些接口的实现是不一样的。

同样,这里也初步给出了Integrator、NumericalBoundaryCondition、DataFunction和FEMMesh的接口。

体会:对于我这种OO设计菜鸟来说,光有类图远远不够,顺序图也很重要,它能够使得类的关系更加具体,类的接口设计更加方便。如果光画类图,对各个类的任务功能的确定还是不够具体。

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