关于变形网格“几何守恒律”概念的讨论

在国内外文献中应用包含有变形的动网格进行流动数值模拟时,要满足所谓的几何守恒律条件;通过对这一概念最早提出推导过程和近年来应用发展情况分析以后发现,逻辑上存在不适当之处.从流体力学基本理论出发,对包含有变形的动网格技术的理论基础进行讨论,证实几何守恒律是流体力学控制方程的伴随方程或退化方程;通过简单模型分析有限体积方法离散过程,发现计算过程中不满足几何守恒律所引起的非物理现象本质上是目前有限体积离散处理中微元体积计算方法不符合物理定律所致;因此在变形动网格计算方法中不存在必须要满足的几何守恒律.最后根据理论提出物理背景清晰的微元体积计算方法,数值验证可行.     

高阶精度有限差分方法几何守恒律研究进展

针对高阶精度有限差分格式的几何守恒律问题,系统梳理了国内外离散几何守恒律问题方面的研究工作,以有限差分格式离散后的自由流保持问题为切入点,综述了近年来课题组在有限差分离散几何守恒律方面的研究工作,包括守恒网格导数算法(CMM)、对称守恒网格导数算法(SCMM)等,并通过若干典型算例验证了几何守恒律的满足对高阶精度有限差分方法数值模拟能力的提升。通过对有限差分离散几何守恒律问题研究工作的系统梳理,总结相关认识如下:1)直接基于网格变换导数的传统计算形式采用有限差分离散不能满足几何守恒律,需采用网格变换导数的守恒计算形式同时还需满足CMM条件;2)SCMM条件是满足几何守恒律的充分条件,且网格变换导数和雅克比均需采用其对称守恒计算形式,具有唯一性;3)自由流保持只是满足几何守恒律的一种表现形式;4)几何守恒律的满足能够有效提升高阶精度有限差分格式的数值模拟能力。     

基于非结构动网格的非定常激波装配法

从ALE方程出发,通过修正体积的新思路构建离散几何守恒律,基于非结构动网格的信息传递方法得到网格重构以后新网格的流场参数,采用一阶格式捕捉法得到的流场确定装配法的初始激波位置,成功地把激波装配法应用到非定常流动的模拟。模拟超声速飞行环境下整流罩分离的非定常流固耦合过程,在马赫数6条件下装配法和捕捉法的计算结果完全一致,随着马赫数增加,二阶精度格式的捕捉法需要进行调整限制器参数、时间步长等人工干预,但是装配法直到马赫数20计算过程没有出现异常。该基于非结构动网格技术的激波装配方法,与传统的激波装配方法相比,能够用于复杂外形产生的非规则形状激波和非定常流动产生的运动激波,解决二阶精度有限体积法用于高马赫数飞行条件下多体分离过程的流动模拟时遇到的稳定性问题。     

二维非结构网格上的高精度有限体积WENO格式

构造了非结构网格上二维双曲型守恒律的一类新的高精度有限体积WENO格式。其主要思想是:根据格式精度的要求,按照谱体积方法对三角形单元网格进行剖分,通过选取适当的子单元组成模板,利用WENO重构方法重构二阶和三阶多项式,利用有限体积公式和高阶Runge-Kutta TVD时间离散方法,构造了非结构网格上二维双曲型守恒律的一致二阶和三阶精度的有限体积WENO格式。然后,推广到二维Euler方程组。最后,给出几个数值算例,验证了格式的稳定性、高阶精度和高分辨捕捉激波等间断的能力。     

移动网格变形法的应用及其修正方法

运用Liao提出的动态型移动网格变形法求解二维双曲型守恒律方程组.由于计算过程中误差的影响,我们无法严格控制网格节点分布,导致实际获得的网格与理论所要求的网格存在偏差,因此为了衡量变形法移动网格的质量,给出质量参数的定义,结合稳态型移动网格变形法对已得网格进行修正,并将该修正方法运用到具体算例,从数值结果可以看出,本方法是可行而且有效的.     

斜网格修正的低速计算方法及应用

采用无坐标变换的一种有限体积法对RANS方程进行离散求解,离散方法考虑了对网格非正交情况的二阶修正,通过构造一个动量插值实现了同位网格下的压力修正算法,并发展了相应的分区算法.利用以上方法对轿车绕流和三峡坝区主流摆动问题进行了数值计算,计算结果与实验吻合较好.     

有相对运动多体动力学系统流动计算方法若干问题讨论

对应用非结构动网格技术数值模拟有相对运动多体动力学系统的流动现象时发现的若干问题进行了讨论.应用动网格技术求解均匀流场,验证了几何守恒律方程离散形式对流场计算精度的重要性,还发现格式时间精度越高、网格运动速度越接近声速,几何守恒律的作用越明显;采用类似于可控轨迹实验的准定常计算方法和非结构动网格技术,分别对超声速气流中物体运动的动力学过程进行了数值模拟,通过流场和运动特性比较和理论分析,指出准定常计算方法本质上无法反映非定常流动特征,即使时间步长趋向零也不会趋向于真解;还讨论了数值模拟非定常流动的双时间法,分析时间推进步长对解的影响,随着时间步长减小解的误差降低,但是这一方法与动网格技术结合解决多体分离问题有难度.     

有限差分法中几何守恒律的机理及算法

采用有限差分法求解复杂外形物体绕流场时经常进行坐标变换,由此会引入坐标变换系数等几何参数,采用不同的差分格式离散坐标变换系数得到的结果不同,导致在计算过程中可能出现均匀流场不能保持均匀的现象,消除这种误差需要研究几何守恒律。本文对坐标变换过程进行理论分析,发现坐标变换过程中采用的数学恒等式在离散条件下不再成立,这是引起物理量不守恒的本质机理,认为增加坐标变换系数恒等式作为源项的方程形式才是曲线贴体坐标系下的离散等价方程,提出只要源项和对流项的离散格式相同就能满足几何守恒律的构造准则。按照上述理论准则建立了基于离散等价方程的几何守恒律算法,通过AUSM、HLLC、Roe、VanLeer四种分裂格式的算例,表明这种新的几何守恒律算法适用于通量差分裂格式(Flux-Difference Splitting,FDS)和矢通量分裂格式(Flux-Vector Splitting,FVS),且均能消除由坐标变换(包括网格运动)引起的误差,保持流场的均匀特性。     

矩形/非结构混合网格技术及在二维/三维复杂无粘流场数值模拟中的应用

建立了一套模拟复杂无粘流场的矩形／非结构混合网格技术,其中非结构网格仅限于物面附近,发挥非结构网格的几何灵活性,以少量的网格模拟复杂外形;同时在以外的区域采用矩形结构网格,发挥矩形网格计算简单快速的优势,有效地克服全非结构网格计算方法需要较大内存量和较长ＣＰＵ时间的不足。混合网格系统由修正的四分树（２Ｄ）／八分树（３Ｄ）方法生成。本文将ＮＮＤ有限差分与ＮＮＤ有限体积格式有机地融合于混合网格计算,消除了全矩形网格模拟曲面边界的台阶效应,同时保证了网格间的通量守恒。该算法被成功地运用于ＮＡＣＡ００１２翼型的跨、低超声速绕流,二维弯管内运动激波的非定常流,以及三维捆绑火箭的超声速绕流的数值模拟。计算结果表明本方法在模拟复杂无粘流场方面的灵活性和高效性。     

基于HDCS-E8T7格式的气动噪声数值模拟方法研究进展

发展了气动噪声高精度数值模拟方法,空间导数离散采用了HDCS-E8T7格式及精度与之匹配的边界格式,时间离散方法采用了高精度多步龙格库塔方法和高精度隐式双时间步方法,发展了高精度对接边界算法,将方法推广至多块对接网格以满足解决复杂几何构型问题的需要,采用隐式大涡的概念处理可能出现的湍流问题。在此基础上,研究了几何守恒律对计算结果的影响,展示了复杂网格中高精度计算满足几何守恒律的重要性,完成了等熵涡、双圆柱散射、串列柱翼构型和喷嘴射流等典型噪声问题的求解,所得计算结果展示了所发展的模拟方法具有良好的预测精度和解决复杂构型气动噪声问题的潜力。     

RBFs-MSA Hybrid Method for Mesh Deformation

Simulating unsteady flow phenomena involving moving boundaries is a challenging task,one key requirement of which is a reliable and fast algorithm to deform the computational mesh.Radial basis functions(RBFs) interpolation is a very simple and robust method to deform the mesh.However,the number of operations and the requirement of memory storage will be increased rapidly as the number of grid nodes increases,which limits the application of RBFs to three-dimensional(3D) moving mesh.Moving submesh approach(MSA) is an efficient method,but its robustness depends on the method used to deform the background mesh.A hybrid method which combines the benefits of MSA and RBFs interpolation,which is called RBFs-MSA,has been presented.This hybrid method is proved to be robust and efficient via several numerical examples.From the aspect of the quality of deforming meshes,this hybrid method is comparable with the RBFs interpolation;from the aspect of computing efficiency,one test case shows that RBFs-MSA is about two orders of magnitude faster than RBFs interpolation.For these benefits of RBFs-MSA,the new method is suitable for unsteady flow simulation which refers to boundaries movement.     

带旋转修正的弹簧-TFI混合动网格方法

网格存在大变形时,传统的超限插值(TFI)动网格方法易于引起网格正交性问题.依据几何关系并考虑其插值特点,提出了一种带旋转修正的TFI动网格方法.对结构网格块进行分块,在子块角点间建立弹簧元,并基于弹簧类比法计算角点位移;子网格内部结点位移采用修正后的TFI动网格方法进行计算,从而形成具有弹簧-TFI混合特征的动网格新...     

基于超网格的重叠网格守恒插值方法

保证重叠网格边界数据插值的守恒性是计算流体力学面临的一大难题。基于超网格方法与格心格式有限体积法,发展了一种新型混合重叠网格守恒插值方法。详细研究了用网格切割技术在重叠网格边界构造局部超网格,用网格求交算法合理地扩大贡献单元模板,建立了一种适用于任意网格类型的隐式并行重叠网格守恒插值方法,以超网格为媒介可实现重叠网格二阶精度的守恒插值。数值结果表明,本文方法对二阶分布的流场变量具有严格的守恒性,相比三线性插值方法和逆向距离权插值方法,本文方法减小了数值误差,提高了重叠网格边界的插值精度,加快了计算收敛速度,改善了重叠区域网格尺度相差较大时流场的光滑性和连续性。     

非结构动网格生成的弹簧-插值联合方法

 提出了基于弹簧法的两点改进,以解决边界发生大变形时的非结构网格变形问题。为了使边界运动引起的网格变形能更好地由边界传递到内部网格中,提出了一种新的基于Delaunay网格插值的弹簧倔强系数逐层改进方法。为了提高弹簧法的计算效率,引入背景网格和直接插值方法,提出了弹簧-插值法。弹簧-插值法首先生成计算域的背景网格(粗网格),然后由弹簧法求解边界运动引起的背景网格变形,最后利用变形后的背景网格直接插值得到计算网格的变形。算例结果表明：改进后的方法一方面有效地提高了动网格的变形能力和变形后的网格质量;另一方面通过降低弹簧法的求解规模,显著地提高了动网格的变形效率。     

气动弹性计算中网格变形方法研究进展

网格变形是气动弹性计算中实现计算网格随运动边界变形的主要方法。在总结目前网格变形方法发展现状的基础上,对近几年常用的网格变形方法,即弹簧法、弹性体法、超限插值法、Delaunay背景网格法、径向基函数插值法和温度体法等做了简要的总结。根据各方法构建模型的不同,将它们分成物理模型法、数学插值法和混合方法3类,简要介绍了各方法的基本思想和研究进展,重点比较了各方法的网格变形特性（变形能力、变形质量和变形效率）和优缺点。总结了当前流场边界与结构边界的数据传递方法,对当前气动弹性计算中遇到的网格变形的难点问题作了简要评述并对未来网格变形方法的发展方向进行了探讨。     

高效非结构网格变形与流场插值方法

非结构动网格在含动边界的非定常流动模拟中应用十分广泛。为了提高网格变形的计算效率和对复杂外形的适用性,发展了高效的K近邻-径向基函数（KNN-RBF）动网格方法。并采用高效的交界面节点一致性方法实现了网格变形的并行化。由于边界的运动和变形形式多种多样,在自主开发的计算流体力学（CFD）程序中实现了动网格的用户自定义函数（UDF）功能模块,可以灵活地设置此类问题中的边界运动。在模拟大变形问题时,采用了全局网格重构的策略对网格质量较差的区域进行处理。提出了快速查找新旧网格最近点的两级KD（K-Dimensional）树方法,并根据最近点在新旧网格间进行流场插值。从而建立了高效健壮的并行流场插值方法。通过对若干算例进行模拟,验证了所发展方法的正确性和健壮性。     

一种基于径向基函数和峰值选择法的高效网格变形技术

基于径向基函数的网格变形方法因其具有诸多优点,而被广泛应用于气动外形优化设计等领域。对于大规模网格或复杂构型,该方法所需计算量是难以承受的。为了提高网格变形效率,可以通过减少建立插值模型所需支撑点数目来实现。为此,提出一种高效的选点算法--峰值选择法。该算法在选点过程的每个迭代步中对边界节点处的误差进行分析,从物面节点中选取多个峰值点来更新支撑点集,减少迭代步数,提高选点效率。在该算法的基础上,实现了网格的高效变形。三段翼型的网格变形算例证明：该方法可以在保证网格质量的同时实现复杂网格的变形。以DLR-F6复杂模型（约1 000万网格）的刚性运动和弹性大变形为算例对该方法的变形效率和变形后网格质量做了进一步评估：当相对误差设置为5.0×10^-7时,在保证变形后网格质量的前提下,该方法变形效率最快比传统贪婪算法提高了13倍,其中在选点效率方面最快提高了31倍。     

非结构混合网格鲁棒自适应技术

数值格式、湍流模型和计算网格是影响CFD数值模拟精度的3个主要因素。结合流场信息的网格自适应技术具备动态优化计算网格的能力，被NASA列为未来CFD发展的一项关键技术。本文针对非结构混合网格，发展了网格单元分布优化、表面网格几何投影和空间网格协调匹配3项关键技术，建立了高鲁棒性几何保真的网格自适应系统。首先，为了提高自适应方法的鲁棒性和通用性，发展了基于标准面网格的多面体网格单元分布优化方法。其次，发展了仅依赖表面网格信息的局部曲面重构技术，采用参数点映射方法实现了新增表面网格点的几何投影，消除了自适应系统对几何CAD系统的依赖。再次，采用改进的距离函数方法实现了空间网格与投影后表面网格的快速匹配。最后，结合基于流场特征的自适应探测器，采用二阶格式的有限体积方法，开展了30P30N三段翼绕流和三角翼大迎角绕流的网格自适应数值模拟。结果表明，通过网格自适应对网格单元的分布进行优化后，流场求解的收敛性和模拟精度都得到了显著提高。     

基于ALE流固耦合方法的刷式密封泄漏特性理论与实验研究

现有刷式密封流固耦合求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算。本文提出了基于ALE (Arbitrary Lagrange-Euler)流固耦合方法考虑刷丝变形接触的三维瞬态双向流固耦合求解模型,设计搭建了刷式密封泄漏特性和可观测刷丝运动轨迹的实验装置。实验研究了刷式密封刷丝运动状态对泄漏特性的影响,不同压比条件下的泄漏特性变化规律,在验证刷式密封流固耦合求解模型准确性基础上,数值分析了不同时刻刷式密封速度分布与刷丝运动状态,并研究了不同结构参数对泄漏特性的影响规律。研究结果表明:基于ALE流固耦合方法解决了传统刷式密封求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算的问题,可准确计算刷式密封流场特性和力学特性;刷式密封刷丝吹下效应会降低泄漏量,刷丝颤振现象主要发生在气流入口处的前排刷丝域,会引起泄漏量增大,在气流力作用下,刷丝束轴向厚度变小,有利于减小泄漏量;在本文研究条件下,刷丝固定端与自由端的中间部位最先发生变形,随着时间的变化,气流速度逐渐趋于稳定,最大速度出现在末排刷丝与后挡板接触位置,刷丝自由端变形最大;刷式密封泄漏量随径向密封间隙的增大而增大,与径向密封间隙0mm时相比,径向密封间隙0.2mm时泄漏量增加了51.6%～62.8%。随着刷丝排数的增大,泄漏量逐渐减小,当刷丝排数大于25排时,其对泄漏量影响较小。随着刷丝间隙、刷丝与后挡板之间的轴向间隙、后挡板保护高度的增大,泄漏量先逐渐增大后趋于平缓。     

Mesh deformation on 3D complex configurations using multistep radial basis functions interpolation

The Radial Basis Function (RBF) method with data reduction is an effective way to perform mesh deformation. However, for large deformations on meshes of complex aerodynamic configurations, the efficiency of the RBF mesh deformation method still needs to be further improved to fulfill the demand of practical application. To achieve this goal, a multistep RBF method based on a multilevel subspace RBF algorithm is presented to further improve the efficiency of the mesh deformation method in this research. A whole deformation is divided into a series of steps, and the supporting radius is adjusted in accordance with the maximal displacement error. Furthermore, parallel computing is applied to the interpolation to enhance the efficiency. Typical deformation problems of the NASA Common Research Model (CRM) configuration, the DLR-F6 wing-body-nacelle-pylon configuration, and the DLR-F11 high-lift configuration are tested to verify the feasibility of this method. Test results show that the presented multistep RBF mesh deformation method is efficient and robust in dealing with large deformation problems over complex geometries.