三维可压缩 Navier-Stokes 方程的间断Galerkin 有限元方法研究

拓展了二维间断 Galerkin(DG)有限元方法研究，将该数值方法用于三维可压缩欧拉方程和 Navier-Stokes方程的求解。基于六面体网格单元，采用插值方法将物面的四边形面网格单元构造为弯曲面网格单元，更好地表述了真实物面特征；物面边界相邻体网格单元相应构造为高阶体网格单元，其余体网格单元采用八节点六面体单元，以较小的计算代价使网格满足 DG 方法计算需求。通过对三维带 bump 管道内流、圆球绕流以及旋转流线体绕流进行的数值求解，验证了边界弯曲方法的可行性及 DG 方法的高精度特性。此外，由于采用了隐式计算方法，仅需较少的时间步就能迭代收敛。     

高阶间断有限元法的并行计算研究

根据间断有限元法的数据结构特点,基于METIS网格分区技术,设计并行计算策略,在非结构网格上实现了并行高阶间断有限元法。控制方程的数值通量项使用Local Lax-Friedrichs(LLF)格式计算。设计了并行的牛顿-块高斯赛德尔法(Newton-Block GS)来加速收敛,提高迭代效率。并行性能分析表明,所设计的并行算法能够得到较好的加速比和并行效率,有效地节省计算时间,合理分配内存。这使得采用高阶间断有限元法计算更为复杂的问题成为可能。     

稀疏非结构网格上的亚声速流高精度数值模拟

采用高阶间断有限元法在非结构网格上数值求解二维亚声速Euler方程。数值结果表明,尽管采用的非结构网格非常稀疏,但通过采用真实曲线物面边界和高阶的基函数仍可得到高精度的数值解。另外,对于超低速情况,方程无需经过任何特殊处理就可以得到收敛的数值解。由于采用牛顿一般最小余量法(Newton-GMRES)时通常需要较好的初始值,本文设计了一种阶谱循环过程来提高数值求解的鲁棒性。     

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。     

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。     

浸入式贴体网格边界方法

提出一种基于重叠网格的浸入式边界方法,用以模拟复杂的三维黏性跨声速流动。该方法采用一套固定的笛卡儿正交网格,用以主流的求解;采用一套可以移动的贴体等距面网格,用以拟合或者离散物面的作用力,通过空间插值,实现两套网格重叠部分的信息传递。分析了浸入式贴体网格边界方法的优势,介绍了贡献单元的寻找策略和物理通量的插值方法。流场求解采用Spalart-Allmaras带湍流模型的Navier-Stokes方程组,其中对流项采用流通矢量分裂和5阶WENO(weighted essentially non-oscillatory)-Z格式离散,黏性项采用6阶中心差分格式离散,时间项采用龙格库塔显式格式离散。数值验证算例表明:该方法具备高于4阶的空间求解精度,并适用于刚体动网格非定常流场模拟,且无需更新网格形状。等距面贴体网格生成过程简单,避免了繁琐的人工调节过程,与笛卡儿网格结合,可提供足够的壁面附近网格密度,同时有效减少了网格总量需求。     

适用于涡激振荡问题研究的并行高精度方法

提出了一种用于研究大振幅及物体间小间距等极端情况下涡激振荡（VIV）问题的高精度方法。该方法针对三角形/四边形非结构混合网格，采用高精度谱差分（SD）格式对Navier-Stokes方程进行空间离散。通过引入非均匀滑移网格方法，将计算域分割成多个互相不重合的子区域，从而实现了子区域网格的独立变形，子区域之间通过粘接元进行信息传递。采用全耦合方法精确求解VIV问题中流体和固体间的相互作用。通过研究并行策略以及使用消息传递接口，实现了求解器的并行计算能力。数值模拟表明：对于无黏和有黏流动问题，该方法均能保持SD方法的高精度特性；对于动网格下的定常均匀来流，求解器能够做到自由流保持；单个圆柱VIV问题仿真与现有文献结果符合较好，验证了方法的可靠性；对于流场变形情况比较复杂的涡激振荡问题，求解器可以有效实现网格变形，并具有理想的并行效率。     

High-order implicit discontinuous Galerkin schemes for unsteady compressible Navier–Stokes equations

Efficient solution techniques for high-order temporal and spatial discontinuous Galerkin(DG) discretizations of the unsteady Navier–Stokes equations are developed. A fourth-order implicit Runge–Kutta(IRK) scheme is applied for the time integration and a multigrid preconditioned GMRES solver is extended to solve the nonlinear system arising from each IRK stage. Several modifications to the implicit solver have been considered to achieve the efficiency enhancement and meantime to reduce the memory requirement. A variety of time-accurate viscous flow simulations are performed to assess the resulting high-order implicit DG methods. The designed order of accuracy for temporal discretization scheme is validate and the present implicit solver shows the superior performance by allowing quite large time step to be used in solving time-implicit systems. Numerical results are in good agreement with the published data and demonstrate the potential advantages of the high-order scheme in gaining both the high accuracy and the high efficiency.     

柔性绳索体展开过程数值模拟及实验

基于离散质点系统假设,将柔性网体的网目结点近似为集中质量球单元,结点间的网线近似为杆单元,引入Kawabata拉伸张力应变模型,考虑气动力影响,建立柔性网体的动力学方程,运用四阶Runge-Kutta法进行数值计算,根据能量损耗量对速度修正,基于OpenGL后处理显示,实现了对柔性网体运动过程的仿真,并与警用网枪发射实验加以对比,仿真结果与实验一致。对比了空气动力系数的不同确定形式对网体展开的影响,空气动力系数由雷诺数函数确定时,仿真结果更接近实际情况。     

高阶精度间断Galerkin有限元方法研究

在二维非结构网格上,对高阶精度间断Galerkin有限元方法求解跨音速欧拉方程进行研究。运用间断有限元理论,采用施密特正交化多项式基函数对流场解进行近似描述,使用HLLC近似黎曼解方法计算网格单元边界处的数值通量,积分项通过高斯积分求解,时间推进采用经典四步Runge-Kutta方法,并引入斜率限制器,抑制数值振荡。对NACA0012翼型跨音速无粘流动进行数值模拟,数值结果表明：间断Galerkin有限元方法具有较高的精度,较小的数值耗散和较强的激波捕捉能力。     

亚声速机翼快速摄动面元法

在内部Dirichlet问题提法的面元法基础上，用解析法求几何外形摄动导数（偶强密度对机翼外形坐标的敏感性偏导数），从而快速确定机翼表面压力分布、升力系数和俯仰力矩系数。由于本文以偶强密度常值分布的低阶面元法为基础，故比以偶强密度二次分布的高阶面元法为基础的摄动面元法在最费机时的偏导数矩阵计算上要快一个量级，而由于以符合流场特性的物理内插代替加权几何内插，两者在确定物面压力分布时准确度却基本一致，此外，本方法对内存要求较低，可处理较相应高阶方法更多的面元数。     

三维Euler方程自适应八叉树结构各向异性直角网格算法

采用各向异性直角网格对相应的三维复杂流场进行了模拟 ,提出了物面三角化方法及网格与物面的相交判断过程。用以中心差分为基础的 Jameson的有限体积法对 Euler方程进行求解。计算结果表明 ,各向异性直角网格算法对相应流场进行模拟 ,计算时间较短而效果较好     

High-fidelity trajectory optimization for aeroassisted vehicles using variable order pseudospectral method

In this study, the problem of time-optimal reconnaissance trajectory design for the aeroassisted vehicle is considered. Different from most works reported previously, we explore the feasibility of applying a high-order aeroassisted vehicle dynamic model to plan the optimal flight trajectory such that the gap between the simulated model and the real system can be narrowed. A highly-constrained optimal control model containing six-degree-of-freedom vehicle dynamics is established. To solve the formulated high-order trajectory planning model, a pipelined optimization strategy is illustrated. This approach is based on the variable order Radau pseudospectral method, indicating that the mesh grid used for discretizing the continuous system experiences several adaption iterations. Utilization of such a strategy can potentially smooth the flight trajectory and improve the algorithm convergence ability. Numerical simulations are reported to demonstrate some key features of the optimized flight trajectory. A number of comparative studies are also provided to verify the effectiveness of the applied method as well as the high-order trajectory planning model.     

基于混合网格的三维Navier-Stokes方程并行算法

提出了一种基于混合网格的三维Navier-Stokes方程的并行计算方法。Navier-Stokes的求解采用了基于面的有限体积方法,该方法适用于任何网格类型。采用一方程Spalart-Allmaras模型来计算紊流黏性。并行计算采用区域分裂的方法,利用METIS网格分区系统实现了各节点的加载平衡。节点间的数据交换通过调用MPI库函数来实现,采用非阻断通讯的方式来减少数据交换时间。充分利用FORTRAN90的动态存储特性来减少对内存的需求。最后,通过对绕DLR-F6外形(翼身组合体+挂架+发动机短舱)黏性流动的数值模拟,验证了该并行程序的准确性,高性能并行计算以及处理复杂几何外形的能力。     

跨音涡轮中三维流动的数值试验

 本文从积分型的基本方程组出发,以我们的关于平面叶栅和任意旋成面叶栅的工作为基础,将文献（3、4）中的计算方案推广到三维流动情况。编制了相应的计算机程序,进行了一些数值试验,得到了初步的计算结果。 数值试验表明,拟三维计算结果可以导致相当大的误差,从而说明了完全三维流动计算的必要性。另一方面,如果取2000个左右的计算点,则在国产的013机上算一个例子,约需100分钟。从实际应用的观点来看也是可行的。     

A fast and automatic full-potential finite volume solver on Cartesian grids for unconventional configurations

To meet the requirements of fast and automatic computation of subsonic and transonic aerodynamics in aircraft conceptual design,a novel finite volume solver for full potential flows on adaptive Cartesian grids is developed in this paper.Cartesian grids with geometric adaptation are firstly generated automatically with boundary cells processed by cell-cutting and cell-merging algo rithms.The nonlinear full potential equation is discretized by a finite volume scheme on these Cartesian grids and iteratively solved in an implicit fashion with a generalized minimum residual (GMRES) algorithm.During computation,solution-based mesh adaptation is also applied so as to capture flow features more accurately.An improved ghost-cell method is proposed to implement the non-penetration wall boundary condition where the velocity-potential of a ghost cell is modified by an analytic method instead.According to the characteristics of the Cartesian grids,the Kutta condition is applied by specially computing the gradients on Kutta-faces without directly assigning the potential jump to cells adjacent wake faces,which can significantly improve the solution con verging speed.The feasibility and accuracy of the proposed method are validated by several typical cases of sub/transonic flows around an ONERA M6 wing,a DLR-F4 wing-body,and an unconventional figuration of a blended wing body (BWB).The validation cases demonstrate a fast convergence with fully automatic grid treatment and computation,and the results suggest its capacity in application for aircraft conceptual design.     

基于激波拟合与柔性壁的反设计数值方法研究

将激波和待求激波压缩面作为运动间断边界拟合,研究了超声速来流下的型面反设计数值计算方法.算法秉承拟合法思想,采用二阶格式时间推进欧拉方程组,在运动边界和动网格条件下,按预估的波系结构划分网格块,反求可产生指定压力分布的三维型面,并获得精确的激波型面.通过包括凸包进气道在内的三个反设计算例验证了本文算法的合理性及其对网格质量的适应性,证明了在型面反设计中,采用激波拟合法可大大提高型面精度.本算法可用于超声速进气道压缩面和唇口完全三维反设计.     

低速增升装置失速特性预测研究

民机低速增升装置失速特性是具有挑战性的空气动力学难题之一,决定着飞机起、降阶段机翼处于流动分离或尾迹干扰状态时的操纵稳定性,是气动设计必须关注的重要方面。利用基于N-S方程的自研多块结构网格计算软件和混合网格计算软件,对NASA高升力梯形机翼标准模型开展了失速特性计算研究,系统评估了计算软件、计算网格、湍流模型等主要因素对失速特性的影响,获得了有效预测高升力构型失速特性的计算方案,并将其成功应用于工程实际,为增升装置失速特性计算评估提供了有意义的参考。     

基于局部无网格的混合算法研究

研究了一种求解任意外形绕流的局部无网格混合算法.该算法计算区域整体采用了直角网格,只在物面附近嵌入局部无网格处理.整体直角网格的规则性与正交性,不仅使得网格生成快,而且计算格式实施简单,避免了与非正交性相关的计算项,从而引入误差相对较小.局部无网格处理只要求物面附近布点离散,具有灵活性,使得发展的算法适合处理任意外形.先以理想不可压流动问题为例,给出了其控制方程Laplace方程的具体求解实施过程,并给出了直槽道内柱体绕流的计算结果;接着把方法推广用于求解可压缩流动的Euler方程,对喷管等典型流动问题进行了数值模拟,并与传统有限体积法结果进行了比较,在捕捉的波系结构、表面压力系数分布等方面具有良好的一致性,表明发展的新方法是可行的.     

High-order compact finite volume methods on unstructured grids with adaptive mesh refinement for solving inviscid and viscous flows

In the present paper, high-order finite volume schemes on unstructured grids developed in our previous papers are extended to solve three-dimensional inviscid and viscous flows. The high-order variational reconstruction technique in terms of compact stencil is improved to reduce local condition numbers. To further improve the efficiency of computation, the adaptive mesh refinement technique is implemented in the framework of high-order finite volume methods. Mesh refinement and coarsening criteria are chosen to be the indicators for certain flow structures. One important challenge of the adaptive mesh refinement technique on unstructured grids is the dynamic load balancing in parallel computation. To solve this problem, the open-source library p4est based on the forest of octrees is adopted. Several two- and three-dimensional test cases are computed to verify the accuracy and robustness of the proposed numerical schemes.