拓扑结构改变流场数值方法研究及应用

物体从相互接触的状态分离时会导致流场拓扑结构的改变,针对拓扑结构改变过程提出了一种非结构重叠网格算法.该方法主要包括"洞边界"自动判定、重叠区形成和流场信息交换三个方面的关键问题.针对三维问题提出了判定洞边界的"曲面判定方法";对于重叠区待插值的网格节点建立了"动态义树"贡献单元搜索方法.洞边界上待插值点的流场参数通过插值方法从其贡献单元上得到.弹丸从炮口发射的过程中,由于弹丸与炮管的分离导致了流场拓扑结构变化,而当炮口带有制退器时将使流场的边界条件更加复杂.利用非结构重叠网格方法对弹丸从带有炮口制退器的火炮中发射过程进行了数值模拟,分析了初始冲击波形成和发展过程,详细描述了运动弹丸对膛口流场的影响.本文提出的算法将能够有效地应用到航空、航天以及兵器技术领域的研究中,特别是物体分离过程导致的流场拓扑结构改变问题.     

分区对接网格在跨流域气体运动论统一算法的应用研究北大核心CSCD

为了模拟跨流域复杂物形绕流或多体流场,需要在位置空间建立能描述整个流场特性的网格系统,相应的数值计算方法也需要有所改进。本文采用分区对接网格处理复杂物形绕流或多体干扰流场,得到能准确描述流场特征的贴体网格系统。在此基础上数值求解考虑转动非平衡影响的Boltzmann-Rykov模型方程,在速度空间应用离散速度坐标法、位置空间采用数值差分NND格式。网格对接面上考虑分布函数的传递,包含网格点信息和网格点上速度的信息。通过计算得到复杂物形的流动特性。相关算例表明网格分区之间的流场参数光滑过渡。与文献及DSMC结果的对比证实本文基于分区对接网格的气体运动论统一算法是可靠的。     

旋翼流场计算嵌套网格并行装配方法改进研究

针对嵌套网格系统下进行旋翼流场计算时的网格装配问题,给出了一种改进的并行化网格装配模型。在该模型中,使用压缩存储的辅助结构网格进行并行"洞切割",生成插值边界;应用基于插值点坐标范围的局部可自适应辅助结构网格定位,缩小了处理器之间进行并行贡献单元搜索时的交互数据范围及生成辅助结构网格的内存消耗,结合局部范围的Neighbor to Neighbor(N2N)搜索重启和穷举方法,消除了网格分区、物面、外场等边界面对贡献单元搜索过程的影响,且方法对网格的拓扑没有限制,适合于结构、非结构、直角网格等网格块的装配过程。在流场计算方面,采用并行化的隐式双时间格式数值求解Navier-Stokes方程,用于旋翼数值模拟问题。理论分析和计算测试表明,在使用粗化的辅助网格时,改进的计算方法能够达到传统方法贡献单元搜索速度近似10倍,在低内存开销情况下降低网格装配过程对流场计算时间占比。在内迭代大于7次时,网格装配时间小于流场计算的1%。该方法是对旋翼多周期计算时反复网格装配过程的很好的效率改进。     

分区对接网格在跨流域气体运动论统一算法的应用研究

为了模拟跨流域复杂物形绕流或多体流场,需要在位置空间建立能描述整个流场特性的网格系统,相应的数值计算方法也需要有所改进。本文采用分区对接网格处理复杂物形绕流或多体干扰流场,得到能准确描述流场特征的贴体网格系统。在此基础上数值求解考虑转动非平衡影响的Boltzmann-Rykov模型方程,在速度空间应用离散速度坐标法、位置空间采用数值差分NND格式。网格对接面上考虑分布函数的传递,包含网格点信息和网格点上速度的信息。通过计算得到复杂物形的流动特性。相关算例表明网格分区之间的流场参数光滑过渡。与文献及DSMC结果的对比证实本文基于分区对接网格的气体运动论统一算法是可靠的。     

全机复杂流场网格生成及N-S方程数值模拟

全机复杂流场网格生成对计算结果起着举足轻重的作用。本文首先通过合理的拓扑结构,分块对接的方法对复杂流场进行了网格划分,然后采用N-S方程有限体积法及分区对接法对翼—身—尾全机流场进行数值模拟。计算结果验证了网格生成的有效性和计算结果的合理性。     

旋转坐标系下分区计算的LU隐式方法

将隐式时间迭代方法应用于并行计算是CFD研究中的热点问题,研究发现LU-SGS格式在旋转坐标系下对分区边界比较敏感,对旋翼悬停状态进行分区并行计算时碰到了计算发散的问题。针对此问题,对基于LU分解的3种隐式时间迭代格式（LU-SGS、DP-LUR和HLU-SGS）进行了对比研究,设计了静止流场下的旋转网格算例对计算方法进行测试。结果表明,LU-SGS格式在网格边界采用简化处理方法,当边界的逆变速度增大时会引起数值误差放大,误差的不断积累导致计算发散。DP-LUR和HLU-SGS格式通过在边界单元采用雅克比迭代算法,能有效消除分区边界影响,使计算格式在大CFL数条件下保持稳定,其中HLU-SGS继承了LU-SGS迭代效率高的特点。在此基础上,采用并行化的LU隐式方法对Caradonna-Tung旋翼进行了并行计算,针对两套稀密程度不同的背景网格,在产生复杂分区边界的计算网格条件下,均获得了气动力和旋翼尾迹都充分收敛的流场。通过计算,分析了背景网格密度对预测气动力性能和捕捉尾迹流场的影响,计算结果与试验值吻合良好,验证了当前隐式计算方法适用于旋转坐标系并行计算,适合于推广至其他大规模并行分区的流场计算。     

基于非结构网格流场超大规模并行计算

大规模并行的计算流体力学已成为现代航空工业研发的核心手段之一。基于非结构混合网格和有限体积法,发展了适用于工业级复杂外形气动计算的并行流动数值模拟方法。文中首先介绍了紧致数值离散格式、基于Metis的分布式多核系统网格分区技术、并行边界虚拟单元技术和MPI并行实现等相关算法。采用网格量相对较小的旋成体构型绕流模型对比分析多核并行计算结果与单核计算结果以验证并行计算的正确性,比较了不同并行规模下并行效率和残差收敛情况。然后通过对上亿网格单元的运输机复杂构型绕流模拟,开展并行效率的测试,结果表明,本文方法并行加速性能高,直到多达18816核并行效率都保持在80%以上。     

叶轮机械全环非定常大规模并行模拟程序设计

为了更加精确地模拟叶轮机械内部复杂的三维非定常流动,开展了全环网格模拟方法探索,提出了针对滑移面的守恒变量插值和高效的大规模并行计算解决方案。基于千万亿次高性能计算平台,自主开发了非定常数值模拟程序,采用单级压气机、1.5级涡轮和3.5级高负荷压气机三个算例进行了程序的验证与确认,以及并行效率测试工作。模拟采用的最大网格数为2亿,计算核心数为4096个。结果表明:程序计算得到的整体气动性能与试验数据吻合良好;程序所采用的全环非定常计算模型能保证交界面处物理量的连续,削弱非物理熵增,得到更加可信的流场解;所采用的METIS的网格分区方法以及MPI并行策略使程序具有良好的负载均衡和并行效率;同时程序对超大规模的复杂问题具备良好的可扩展性和适应性,能够满足工程实际问题的流动分析和叶轮机械的精细流动研究要求。     

气冷涡轮级流场的数值模拟方法与试验验证

采用具有TVD(total variation diminishing)性质的三阶精度Godunov格式、自由型曲面网格生成技术以及分区网格算法,对某型涡轮级进行考虑冷气掺混的全三维Navier-Stokes(N-S)方程数值求解,并将所得的结果与试验数据进行对比分析.通过分析数值模拟结果研究了该涡轮级所具有的气动特点.结果表明:所开发的快速、高效冷气掺混网格生成方法以及任意分区的流场求解算法可以满足工程上对气冷涡轮级的总体性能的快速估算及流场结构的详细描述.      

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。     

非结构混合网格自适应并行技术

计算流体力学（CFD）模拟实际工程问题所采用的网格规模可达千万量级，并行技术是减少计算时间的有效方法。耦合流场信息的网格自适应技术能有效动态优化计算网格，被NASA视为一项亟待发展的CFD关键技术。混合网格自适应系统包含网格分布优化、表面网格投影和空间网格匹配等关键技术。针对以上3项关键技术分别建立了高效的并行算法。首先，提出了"先唯一后同一"的两步法策略实现了网格单元分布优化过程的并行相容性；其次，基于局部曲面拟合思想，实现了曲面重构和新增物理网格点投影的完全并行；再次，提出了空间网格匹配技术的半并行算法，快速解决了网格单元交错问题。为了提高后续流场计算的并行效率，发展了基于并行重分区-网格数据迁移方法的动态负载平衡技术，并采用圆柱激波流场自适应模拟对动态负载平衡技术进行初步验证。最后，采用三角翼自适应加密测试了自适应系统的并行效率。结果表明，建立的混合网格自适应系统并行效率较高，且相比流场求解耗费总时间的比例低于1%。     

小型涡喷发动机整机流场数值模拟技术研究

为计算某小型弹用涡喷发动机流场,研究了针对涡喷发动机整机的建模、网格处理以及动态工作点确定等关键技术。通过复杂结构部件建模和拼接,建立了涡喷发动机整机流场计算网格,理论模型中考虑了叶轮流场、湍流和燃烧过程的模拟,并以作用转子上气动力矩为基础计算转子的转速。在通用计算流体力学（CFD）软件中,通过编写UDF程序构建了发动机流场的计算框架。结果表明：全机流场仿真技术为分析涡喷发动机工作过程提供了有力工具,同时揭示了几何建模的精度等因素对计算结果准确性有较大影响。     

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。     

动网格技术在具有摆动喷管发动机流场数值模拟中的应用

介绍了实现移动网格的基本方法,应用动网格技术,通过UDF（用户自定义函数）编程,对具有摆动喷管发动机三维内流场进行了数值模拟,结果表明,动网格技术能很好地实现与喷管摆动相对应计算区域的实时变化,适用于具有摆动喷管发动机内流场的计算。     

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     

A mesh optimization method using machine learning technique and variational mesh adaptation

Computational mesh is an important ingredient that affects the accuracy and efficiency of CFD numerical simulation. In light of the introduced large amount of computational costs for many adaptive mesh methods, moving mesh methods keep the number of nodes and topology of a mesh unchanged and do not increase CFD computational expense. As the state-of-the-art moving mesh method, the variational mesh adaptation approach has been introduced to CFD calculation. However, quickly estimating the flow fi...     

火箭发动机塞式喷管流场的数值研究

用时间相关法和张涵信的无振荡、无自由参数ＮＮＤ显式格式,对火箭发动机塞式喷管二维轴对称定常流场进行了数值模拟。计算得到了有粘和无粘中两种情况下,喷管流场的马赫数压强、温度、流线以及速度矢量分布图,计算网络采用代数方法生成,并通过求解Ｌａｐａｃｅ方程对网格进行修正。计算结果表明：ＮＮＤ格式用于计算塞式喷管流场具有较高的效率和良好的分辨率;无粘和有粘情况得到的流场结构有较大的差别;基础喷管的出口马赫数     

螺旋桨飞机滑流非定常数值模拟研究

采用非定常数值模拟方法,基于滑移网格技术,分析研究螺旋桨滑流对全机气动特性的干扰影响。用多块结构网格数值模拟软件,从搭接边界建立、搭接网格生成、流场插值传递3个方面对螺旋桨滑移搭接网格的数值模拟方法进行全面详细的介绍,并且阐述基于该技术的非定常数值模拟方法。在此基础上,开展螺旋桨飞机模型验证计算,分析研究螺旋桨滑流对全机流场和气动性能的影响,通过与风洞实验数据的对比分析,验证滑移搭接网格技术的可行性与准确性。研究结果表明,基于滑移搭接网格技术的螺旋桨滑流数值模拟,可以真实反映螺旋桨滑流流场特性,为螺旋桨类飞机的设计评估提供一种有效的数值模拟手段,在工程方面具有重要的实用价值。     

基于离散等价方程的非结构网格有限差分法

激波装配法把解析关系式嵌入流场避免了间断引起的理论问题，使全场一致高精度的实现成为可能，有望解决超声速流动转捩研究中的感受性模拟难题。但装配复杂激波结构以后，被分割的流场空间常出现不规则的几何形状，这给常规的基于结构网格的有限差分法应用带来困难。基于离散等价方程理论，提出了一种新的基于非结构网格的有限差分法，在空间二维离散点附近仅用3条网格线就可以构造出一阶迎风格式。数值算例表明收敛过程对网格质量不敏感，解决了激波装配法模拟激波相交出现小夹角后使用结构网格进行计算存在的难题。根据这种方法的特点展望了未来的应用前景。     

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。