混合解析/数值方法在含高频振荡点源项的欧拉方程数值计算上的应用

 通过模型方程分析看到了一个重要的现象, 如果源项涉及的时间尺度远小于对流项的时间尺度, 那么基于对流时间尺度作为步长的传统数值方法, 即使源项相对于墩流项是个小量, 也会导致平均尺度上错误的结果。为了克服这种困难, 采用时间分裂方法, 把方程分裂成含对流项部分的偏微分方程( PDE) 和包含源项的常微分方程(ODE) 基础上, PDE 使用传统的数值方法, ODE 用解析的方法求解。该混合方法在数值格式时间步长小于平均流动时间尺度时, 得到正确解, 而与点源所隐含的时间尺度无关。把这个方法应用在含源流动的Euler 方程的计算中, 计算了翼型振荡问题, 取得了理想的结果。     

湍流模型源项的数值处理方法对计算结果的影响研究

涡粘性湍流模型广泛应用于各种工程湍流问题的计算。对于大多数湍流模型,在湍流控制方程的右端会出现源项,其刚性给数值计算带来很大的影响。从源项的物理意义出发分析了源项导致求解困难的原因,并在通用的求解湍流模型方程的点隐法基础上,以源项弱刚性的S-A湍流模型和源项强刚性的k-ωSST湍流模型为例,论述了生成项和耗散项之间的平衡关系对数值模拟的重要意义,给出了针对不同源项的具体处理方法。对RAE2882翼型跨声速流动算例的模拟结果表明,这些处理方法有效的提高了控制方程组的计算稳定性。     

高阶精度DG/FV混合方法在二维粘性流动模拟中的推广

DG/FV混合方法因其具有紧致性、易于推广至高阶及相比同阶DGM计算量、存储量小等优点,已成功应用于一维/二维标量方程和Euler方程的求解。在此基础上,将该方法推广于二维三角形/矩形混合网格上的NavierStokes方程数值模拟,将格式形式精度提高至4~5阶。物理量的空间重构及离散使用DG/FV混合重构方法;无粘通量计算采用Roe格式;粘性通量计算采用BR2格式;时间方向离散采用高阶显式R-K方法或隐式方法。利用该方法计算了有解析解的Couette流动问题以验证几种格式的数值精度阶,并计算了层流平板流动和定常、非定常圆柱绕流问题等经典算例。计算结果表明DG/FV混合方法达到了设计的精度阶,在较粗的网格上亦能得到高精度的计算结果;定性分析和数值结果表明相比同阶DG方法单步计算量减少约40%。     

旋翼/机身气动干扰的数值模拟

通过求解粘性非定常可压缩N-S方程,发展了旋翼/机身气动干扰的数值模拟方法,主要技术措施包括:(1)通过ADT数据结构,建立了高效的多块对接网格动态重叠技术;(2)在可压缩方程求解中引入低速预处理方法,克服低速流场求解时的刚性问题;(3)加入了多重网格方法,提高收敛效率;(4)湍流模型方程求解需要反复计算壁面最近距离,采用Wigton的优化算法很大程度上提高了计算速度。利用建立的计算方法对佐治亚大学(GIT)旋翼/机身干扰模型进行了数值模拟,分别比较了机身表面的平均压力分布、旋翼的下洗流场以及非定常压力脉动,对干扰现象及其流动机理进行了分析。     

混合气体流动的一种数值模拟方法

本文建立一个数值模拟完全气体混合流动的理论模型.该模型首先应用混合气体的Euler方程和每种气体组分的质量分数方程来控制流动.为了消除混合网格内气体组分界面附近出现的非物理振荡,我们假定混合气体的每种组分达到了动力学平衡状态然而尚未达到热力学平衡状态.这种思想导致需要另外给定每种气体组分的总能量方程.为使用高分辨格式来求解这组双曲型偏微分方程并且简化对所需要的Jacobi矩阵的推导,混合气体的压力方程也被耦合起来.Godunov型的波传播方法被采用来离散求解所获得的控制方程.从典型算例结果来看,一维问题的数值解与精确解一致,二维问题的数值解与理论分析一致.这说明本文的理论模型是合理的.     

一种强耦合Spalart-Allmaras湍流模型的RANS方程的高效数值计算方法

在工程实际中,一方程湍流模型或两方程湍流模型的求解通常和雷诺平均Navier-Stockes (RANS)方程的求解是解耦的,也称之为松耦合求解.在松耦合求解过程中,RANS方程和湍流模型方程通常采用不同的数值方法异步求解.这种求解方式很容易产生因两者计算精度不一致而引起的额外数值耗散.为了消除这种耗散,将RANS方程与Spalart-Allmaras模型方程耦合成一个系统方程——强耦合RANS方程,并发展了一种用于求解该系统方程的高效强耦合算法,其中对流项离散采用了Roe格式,时间项的离散采用了隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)格式,为了提高计算效率,采用了三层V循环多重网格方法.通过翼型/机翼和振荡翼型/机翼等算例验证了本文发展的强耦合算法不仅具有较好的收敛性,而且计算精度明显优于松耦合算法,特别对于阻力的预测,强耦合算法更加准确.     

支板构型超燃冲压燃烧室流场数值模拟

数值模拟了带凹腔的支板构型超燃冲压燃烧室内部的流场结构。在计算过程中，控制方程采用了含组分守恒方程，并与k-ω双方程湍流模型紧耦合的质量平均Navier—Stokes方程，对方程中的对流项采用了空间为二阶精度的TVD格式，扩散项则采用了二阶中心差分离散。采用在流体力学时间步内的当地积分法克服了非平衡源项的刚性问题，保持了LU-SSOR隐式求解算法的高效率。通过数值模拟，对比研究了凹腔构型的位置、长深比(S／H)对燃料混合性能的影响。结果表明，长深比大的凹腔增加了燃料在腔内的停留时间，相应地改善了燃料的混合。位于燃料喷嘴之后的凹腔比位于下游的凹腔更有助于提高燃料的混合效率。     

基于流体力学和电磁学方程数值求解的飞行器气动隐身一体化设计

介绍了基于流体力学和电磁学方程数值求解的飞行器气动隐身一体化设计方法.首先介绍了精度相对较高的飞行器气动和隐身特性数值计算方法,即,对于气动性能计算,求解的是结构网格上的NS方程加BL代数湍流模式;对于隐身特性计算,是用时域有限体积法来求解电磁学微分方程以获取RCS值.由于采用了高精度的数值方法,优化时单一设计点的气动性能计算和隐身性能计算变得较为耗时,因此在进行多目标遗传算法优化时本文采用了一种"少量样本计算+Kriging响应面模型建模"的优化策略.针对某类似X-47飞行器的一体化设计算例计算表明,上述设计方法是可行的,实现了优化设计中引入高精度的性能分析方法,有望提高优化结果的可信度.     

三级涡流器环形燃烧室化学反应流场的数值研究

在三维曲线坐标系下采用多区域耦合法对包括三级涡流器在内的环形燃烧室三维两相反应整体流场进行了数值模拟。计算中采用区域法和偏微分方程法生成三维贴体网格，采用标准k双方程紊流模型，EBU-Ar-rhenius紊流燃烧模型和六通量热辐射模型。在非交错网格体系下，气相用SIMPLE法求解，液相采用颗粒群轨道模型，并用PSIC算法对其进行数值求解。计算结果表明，程序编制可靠，建立的三维网格生成和流场计算程序可为燃烧室优化设计和研制提供有用的数据。     

椭圆管外强制对流换热数值研究

本文采用局部不完全相似变换方法,将偏微分方程转换为容易求解的常微分方程,通过数值计算,得到了椭圆离心率、Re数、Pr数等因素对局部及平均换热Nu数的影响规律,并通过数值拟合,得到了通用的换热准则关系式,同时,还求得了分离点与离心率的关系。     

计算风工程中 k-ε模型的边界条件研究

从 k-ε湍流模型控制方程入手，对两类满足平衡大气边界层理论要求的入口边界条件进行了详细分析，比较了二者的理论差异。然后以我国公路桥梁抗风规范中建议的 A 类风场为来流条件，定义了相应的 k-ε模型常数与壁面条件，使用两类边界条件进行数值模拟。计算结果表明：两类边界条件结合相应的模型常数与壁面条件，均能在数值模拟中构建基本满足规范要求的平衡大气边界层，但各有其适用范围。在此基础上，对模型常数 C 1和湍动能耗散率与数值模拟结果之间的关系进行了研究，采用修改模型常数与边界条件的方法，改善了数值模拟结果。     

喷管结构形式对两级PDE性能的影响分析

为了研究喷管结构形式对两级 PDE 性能的影响及作用规律,以氢气和空气混合物为例,采用 FLUENT 软件中的 k-ε湍流模型,使用非平衡壁面函数、PISO 算法及基于梯度的动态自适应网格加密方法,对收敛、扩张、收扩等不同喷管结构形式的凹面腔内环形向心射流聚心碰撞产生激波会聚起爆爆震波的过程进行了数值模拟,并对两级脉冲爆震发动机产生的推力和冲量进行了计算。通过对不同时间点凹面腔产生的推力和冲量、喷管产生的推力和冲量、两级 PDE 总的推力和冲量三者之间的对比和分析,发现凹面腔产生的推力和冲量是两级 PDE 总的推力和冲量的主要来源,不同喷管结构形式对两级 PDE 推力和冲量性能的影响有较大的差别。以冲量为例,收敛喷管可以提高凹面腔的冲量,但是由于自身同时产生过多负的喷管冲量,因而总冲量较小;扩张喷管虽然对凹面腔冲量的提高作用不大,但是由于其自身可以提供正的喷管冲量,所以总冲量较大;收扩喷管的收敛段也可以较小幅度的提高凹面腔冲量,但同时产生的负喷管冲量会和扩张段产生的正喷管冲量发生抵消,使总的喷管冲量比较低,发动机总冲量也较小。综合考虑各方面因素,扩张喷管性能最优。可见在两级 PDE 喷管结构形式的选择上,要同时考虑凹面腔冲量和喷管冲量,权衡两者,才能选择出合适的喷管。     

虚构解方法程序验证

对求解偏微分方程问题的程序的严格验证,一直以来由于其精确解有限,较难进行,针对这种情况,本文给出了一种新的程序验证方法,虚构解方法,该方法旨在解决大型科学计算程序如何较严格地进行程序验证这一问题;该方法通过构造虚构解,修改原控制方程,然后通过对计算结果的分析处理达到对程序的精确验证;文中给出了一组通用的虚构解的选取办法,解决了虚构解方法验证过程中确定虚构解的问题;同时还给出了运用该方法对非结构二维Euler计算程序进行验证的具体例子,网格收敛分析结果表明该方法是一种有效的程序验证方法,并且具有较好的通用性。     

低速两段翼型的数值模拟

在多段翼型风洞实验中,很难观察翼型不同迎角下主翼、襟翼上的绕流及缝道流动。使用了O-H型混合的结构化网格,采用k-ε二方程湍流模型求解可压的N—S方程来模拟二元风洞中两段翼型的流场。计算结果与实验进行了比较,结果表明：计算与实验结果吻合良好,说明本方法可以较好地模拟两段翼型的绕流,并能很好地显示流场的变化情况。另外,从结果中可以看出：随着迎角的变化,主翼尾流和缝道间的流动对襟翼附面层分离有很大的影响作用。     

基于QSS的自适应多步校正算法及其在柔性航天器动力学中的应用

量化状态系统（QSS）算法是一种基于状态变量离散化的数值积分方法,该方法与基于时间离散的传统方法显著不同,QSS通过计算状态变量每次跃迁所需的时间来推进下一步的积分。在求解非刚性常微分方程时,QSS算法比传统算法更具优势,但它不适合求解刚性问题。为此提出一种基于QSS的自适应多步校正算法（AMCQSS）,该算法以QSS为基础、结合隐式多步法思想,在计算过程中可以自适应选择二步法或三步法,以有效提高求解刚性问题的精度和效率。通过对柔性航天器动力学的仿真求解,验证了算法的可行性。将该算法与ODE23tb、ODE15s、ODE45以及QSS等算法进行对比,结果表明AMCQSS算法既能保证求解的效率及精度,又具有较好的收敛性和稳定性。     

某型燃气轮机进气系统内流场的数值分析

为了揭示燃机进气系统内的流动特性,并为进气系统的性能预测、优化设计提供理论依据,以某型燃气轮机的进气系统为研究对象,基于混合网格的SIMPLE算法和标准的k-ε湍流模型,运用FLUENT软件对燃气轮机进气系统内的流场进行数值模拟,并从压力分布、气流角分布2个方面进行分析。结果表明:对气动性能产生重要影响的损失区域主要集中在进气外环上方和支板附近,蜗壳内锥的绕流分离也是损失源之一。应进行尽可能消除进气外环上方的气流分离,同时将绕流分离控制在一定范围内的优化设计和改进。     

一种基于共轭方程法求解黏性反问题的简化方法

 对于给定压力分布的黏性气动反问题,考虑到壁面微小扰动造成的压力变化主要由势流作用引起,因此可以简化用以获得目标函数对设计变量敏感性导数的共轭方程。将黏性流场插值到粗网格中作为彻体力模型方程的解,则其相应的共轭方程将以简单的源项取代原方程中复杂的黏性项。由于在粗网格中求解,网格数减少,同时收敛速度加快,简化的共轭方程计算时间可以减少到黏性方程的十分之一。典型的算例结果表明,对于附着的边界层流动简化方法计算得到的敏感性导数具有较高的精度,能够有效完成反问题设计且减少总的计算耗时。     

基于CFD的电磁散射数值模拟

计算流体力学(CFD)技术中的时域有限体积法(FVTD)被推广到计算电磁学中,直接数值求解时变麦克斯韦方程组.FVTD使用电磁场矢量共置于网格单元中心、散射场积分形式的麦克斯韦方程组守恒形,空间离散使用基于特征值的近似黎曼解构建网格单元边界通量,时间推进采用四阶龙格-库塔法.TM和TE波极化下几种二维完全导电体的表面诱导电流密度和雷达散射截面(RCS)计算验证表明,时域有限体积法是一种高精度有效的时域方法.     

隐式紧耦合SST和TNT湍流模型的高速流动数值模拟

将SST(shear stress transport)和TNT(turbulent/non-turbulent)湍流模型输运方程与平均流场控制方程进行隐式紧耦合求解,结合当地时间步长方法和湍流源项隐式处理确保求解过程的快速和稳定.采用AUSMPW+(AUSM by pressure-based weight functions)格式和LU-SGS(lower-upper symmetric Gauss-Seidel)隐式紧耦合方法对高超声速压缩拐角流动、锥柱裙流动和超声速非对称激波/边界层干扰问题进行了数值模拟.计算结果与实验值的对比表明:SST模型和TNT湍流模型可以很好地预测15°压缩拐角流动的壁面压力和热流密度;随着压缩拐角的增大,计算结果与实验值偏差增大;可压缩性修正对压缩拐角流动的压力和热流密度分布有很大影响,对超声速非对称激波/边界层干扰流动影响很小;隐式紧耦合方法比显式紧耦合方法具有更好的收敛特性.