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不可压Navier-Stokes(N-S)方程组在计算流体力学领域扮演着非常重要的角色,寻求其精确而稳定的数值求解方法是众多科研工作者梦寐以求的目标。目前,对二维不可压N-S方程组的数值求解方法的研究已比较深入,特别是对涡量-流函数形式提出了各种各样的计算格式,而对于三维不可压N-S方程组,鉴于问题的复杂性,其研究远不如二维充分,高精度的计算方法就更为少见。另一方面,由于涡量-流函数方法不能直接推广到三维,因此本文采用涡量-速度方法对三维不可压N-S方程组进行数值方法研究。
本文分别提出了三维非定常不可压N-S方程组涡量-速度形式的对角占优二阶精度隐格式和高精度隐式紧致差分格式,以及同阶边界条件的离散格式。为了验证这两种格式的精确性和可靠性,针对有精确解的三维非定常不可压N-S方程组的狄利克雷边值问题和典型的驱动方腔流问题进行数值实验。结果表明格式一为时间一阶、空间二阶精度,并且是对角占优和无条件稳定的,因此适合大梯度(高雷诺数)问题的数值求解;格式二为时间二阶、空间四阶精度,并且也是无条件稳定的。该格式具有使用网格节点少、精度高、求解问题的边界处理简单等优点。数值实验结果与精确解或文献中的结果吻合的非常好,从而验证了本文两种方法的精确性和可靠性。