三维动态非结构重叠网格Navier-Stokes方程并行算法

 提出了一种三维动态非结构重叠网格Navier-Stokes(N-S)方程的并行计算方法。N-S方程的空间离散采用格点有限体积方法,时间离散采用隐式的双时间步长方法。应用一方程Spalart-Allmaras(S-A)模型来计算湍流黏性。并行计算采用动态的区域分裂方法,在每一物理时间步利用METIS网格分区系统对网格进行分区。为了实现各CPU之间的负载均衡,每块网格都按CPU个数进行分区并对活动节点和非活动节点进行了加权处理。最后,通过对外挂物投放无黏流动的数值模拟和内埋武器弹舱开启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。     

先进直升机旋翼悬停状态气动性能计算

 为更好地模拟先进直升机旋翼流场,同时准确计算其悬停状态的气动性能,建立了一套基于Navier-Stokes/Euler方程的混合CFD方法。该方法的求解域由两部分组成：一是围绕旋翼桨叶周围的黏性区域,采用可压缩Navier-Stokes方程来模拟旋翼附近的黏性流动和近场尾涡的捕捉;二是离桨叶较远、黏性可以忽略的远场区域,用Euler方程来描述其流动。在该方法中,将三阶逆风格式（MUSCL）与通量差分分裂方法相结合,无需添加人工黏性,因而可有效地减少旋翼尾迹数值耗散。?阌诹鞒》智蠼庖约爸芷谛员呓缣跫氖凳?采用了嵌套网格方法,并给出旋翼网格与背景网格交界面的信息传递方式。应用所建立的计算方法,首先对二维翼型、三维M6机翼的流场进行了数值模拟,以验证计算方法;然后,着重计算了有实验结果可供对比的具有先进气动外形的HELISHAPE 7A模型旋翼和UH-60A直升机旋翼,通过计算得到旋翼表面压力分布、桨叶展向拉力系数分布、桨叶表面细节流动以及气动性能等,进一步验证了该方法的有效性。     

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。     

基于混合笛卡儿网格方法的可压流动数值模拟

以可压缩黏性流动的数值模拟为研究背景,发展了一套自适应混合笛卡儿网格(AHCG)方法以及基于有限体积方法的雷诺数平均Navier-Stokes(RANS)的数值求解方法.为更好地模拟边界层的黏性流动在近壁面处采用贴体结构网格,剩余计算区域自动生成与之相重叠的笛卡儿网格,并同时发展了基于流场特征的笛卡儿网格自适应技术.结合ADT(alternating digital tree)算法显著减少了网格生成中“挖洞”和“贡献单元”搜索的消耗机时,50万左右的网格数目下,搜索耗时为0.062s,仅为普通遍历方法的1/1847.通过二维圆柱与两段翼型绕流的数值算例显示,定常AHCG方法能够准确地预测物面压力分布与升阻力系数并且具备处理复杂外形的能力;同时通过二维非定常圆柱绕流问题与NACA0015矩形机翼翼尖尾涡的捕捉算例显示,结合了动态自适应网格加密的非定常AHCG方法尤其适用于旋涡主导流动.      

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。     

基于多核计算机集群系统的网格分区策略

网格分区技术是提高并行计算效率的重要手段。基于图的分区技术(如Metis等)已经可以完全做到负载平衡,但是随着计算机集群系统的发展,节点间的通讯成为并行计算中的重要时间消耗部分。为此,提出一种适用于非结构网格的新分区策略(MC Partition method),减少了节点间的通讯规模,结果表明,这种分区方法可以较大的提高并行计算效率。     

基于目标压力分布的旋翼先进气动外形反设计分析方法

基于雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程、运动嵌套网格、目标压力分布及余量修正方法,构建了一套直升机旋翼桨叶先进气动外形反设计方法。为避免由桨叶气动外形变化导致的网格畸变,发展了一套基于Poisson方程求解的旋翼桨叶结构化贴体正交网格的快速、自动化生成方法,为提高运动嵌套网格的生成质量和通用性,采用剖面间网格插值与桨尖翻折相结合的方法,同时建立了基于“Top Map”和“Inverse Map”相结合的洞边界划定和贡献单元搜寻的新方法。基于Navier-Stokes方程和双时间法建立了旋翼非定常流场模拟方法,通量求解采用Roe-MUSCL格式,并使用低速预处理法来克服前飞旋翼流场收敛中遇到的刚性问题。在计算流体力学（CFD）方法基础上,基于旋翼翼型压力系数余量联立各方位角处的反设计MGM（Modified Garabedia-McFadden）超定方程组,并依据激波分离、失速等约束设置了各方位角处的反设计权重系数,创建了基于MGM超定方程组最小二乘解的旋翼气动外形（翼型）设计方法。应用所建立的方法,分别针对多目标、多状态和前飞时的旋翼（翼型）气动外形进行反设计分析,验证了本文方法的有效性。最后,将该方法拓展应用到旋翼桨尖气动外形设计中,设计得到与UH-60A直升机旋翼气动特性相似的矩形桨叶外形。     

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。     

基于三维非结构混合网格的离散伴随优化方法

伴随优化方法在优化过程中不受设计变量个数的限制,有巨大的工程应用前景。基于非结构混合网格技术,采用雷诺平均Navier-Stokes方程、离散伴随优化方法以及自由形面变形（FFD）技术,建立了飞行器气动外形优化设计系统。离散伴随方程采用公式推导的方法直接获取,并运用LU-SGS迭代求解。通过与差分结果进行比较的方式,对通量的雅可比矩阵和目标函数敏感导数开展了确认,并对文中黏性通量项、限制器以及湍流黏性系数的近似处理方法做了分析对比,验证了近似处理方法的合理性和可行性。采用建立的优化系统,完成了ONERA M6机翼在跨声速条件下的减阻优化,并比较了有无容积约束下优化结果的差别。模拟验证结果表明,建立的飞行器气动外形优化设计系统具有较高的可靠性和有效性,可以用于三维飞行器外形的减阻优化。     

二维任意域内基于节点的局部网格生成算法

凸域内基于节点的局部网格生成算法,克服了基于节点的有限元方法的网格生成可能产生的不一致性。将该基于节点的局部网格生成算法的适用范围拓展到二维任意域。另外,提出了通过使用约束Delaunay路径来划分任意域的区域划分算法,该算法使得在并行实现网格生成的过程中各处理器之间无需通信,从而大大提高了节点给定情形下有限元方法网格生成的并行效率。     

一种实用的运输类飞机机翼/发动机短舱一体化优化设计方法

发展了一套基于遗传算法优化/Navier-Stokes方程分析的运输类飞机机翼/发动机短舱一体化设计方法,提出了一系列保证该方法工程实用性的解决方案,其中包括设计变量模块化、局部优化全机分析、超临界压力分布约束条件等。通过采用适当的计算网格、并行算法及数值方法,使得基于遗传算法优化/Navier-Stakes方程分析设计方法的运算时间在工程上能够接受。运用该设计方法对下单翼运输类飞机机翼/发动机短舱一体化设计开展了单点优化和两点优化,结合二者结果对比验证了该方法的有效性和工程实用性。单点优化得到的机翼压力分布呈现无激波特点,阻力系数随马赫数变化比较剧烈;两点优化得到的机翼压力分布为弱激波形态,阻力随马赫数变化比较缓和,所设计的机翼具有更好的鲁棒性和工程实用性。     

一种适用于三维混合网格的GMRES加速收敛新方法

为提高流场计算收敛效率,发展了一套适用于三维混合网格Naiver-Stokes方程求解的并行广义最小残差（GMRES）隐式时间推进方法。该方法由科学计算可移植扩展工具包（PETSc）中的Krylov子空间求解器实现,线性方程系统中的系数矩阵直接以显式给出以提高算法的稳定性。为进一步提高GMRES方法的收敛速度,对非结构网格的序号进行了重排序,使得系数矩阵的非零元素尽量向主对角线靠近。利用所发展的GMRES方法,完成了对ONERA-M6机翼、AIAA阻力预测会议通用研究模型（CRM）等算例的计算,计算结果与试验结果吻合良好。通过与其他隐式推进方法进行比较,对算法的收敛特性进行了研究。结果表明,所发展的GMRES方法计算更加稳定,残差下降速度相对LU-SGS（Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel）方法更快,尤其是气动力系数向着收敛解逼近的速度更加明显,提高了计算效率。     

远场假设对喷流噪声预测中格林函数求解的影响

目前基于雷诺平均Navier-Stokes（RANS）的喷流噪声预测方法在格林函数求解时, 为简化求解过程,通常对喷流流动做平行流假设, 对观测点做远场假设。随着格林函数求解方法发展,近年来的研究表明平行流假设对下游观测点格林函数的计算会引起较大偏差,而目前远场假设对格林函数求解的影响仍不清楚。为研究远场假设对喷流格林函数求解的影响,以二维喷流为例, 采用计算气动声学方法（CAA）分别数值求解了观测点远场假设条件与实际条件下90°~150°方向喷流内伴随格林函数,进而分析远场假设对格林函数求解的影响。研究结果表明,对于不同方向的观测点,由观测远场假设导致的伴随格林函数求解偏差不尽相同,且对于越靠近喷流中心线方向的观测点,远场假设导致的偏差越大,其中150°方向观测点,采用远场假设后,格林函数计算结果最大偏差达到-15 dB以上。因此,对于靠近喷流中心线方向的噪声观测点而言,为避免预测偏差,应采用实际观测条件求解喷流格林函数。     

高超声速化学非平衡流动Navier-Stokes/DSMC耦合算法

基于相同的化学反应模型,在已有计算流体力学（CFD）和直接仿真蒙特卡罗（DSMC）方法及程序的基础上,采用Modular Particle-Continuum（MPC）耦合技术,建立了包含化学非平衡Navier-Stokes/DSMC耦合算法。算法结构中DSMC计算区域在CFD计算结果上根据当地克努森数自动选取。发展了适用于流场分区信息交换的亚松弛技术,抑制DSMC方法对CFD计算的影响。把DSMC方法和CFD的应用范围拓展到过渡流区,为复杂飞行器近连续过渡流区高超声速化学非平衡流动数值模拟研究提供了一种工程适用的预测分析手段。通过对二维圆柱高超声速化学非平衡绕流的算例与其他结果的比较研究,表明耦合算法不论在流场结构、流场非平衡现象,还是飞行器表面参数、整体气动力/热特性方面,都能够得到与全DSMC计算吻合的结果,证实了所建立的Navier-Stokes/DSMC耦合计算模型与方法的有效性和可靠性。仿真了某航天器解体碎片在过渡区的化学非平衡流动,得到碎片在过渡区的气动力/热特性,为碎片的陨落计算提供依据。     

二维超音速湍流混合特性研究

着重讨论顺流喷射情况下的超音速混合的流场特征及影响因素。简要介绍了顺流喷射混合的研究现状。同时，探讨了不同的来流参数对流场特征的影响及混合机理。计算采用了一种二阶ＴＶＤ格式有限体积法及Ｂ－Ｌ湍流模型求解二维湍流Ｎ－Ｓ方程。结果表明：所采用的计算方法能成功地抑制非物理振荡，适用于二维超音速内流的湍流混合特性研究。     

Systolic robust adaptive beamforming with an adjustable constraint

This paper presents a novel, fully parallel algorithm for robust linearly constrained minimum variance (LCMV) beamforming. The robustness results from the use of an adjustable constraint to compensate for the unavoidable small mismatch between the nominal and the actual steering vector of the signal-of-interest. The need for parallelism follows from the large computational demands of beamforming algorithms and by the high data rates which are typically present in communications applications. The algorithm exhibits good numerical properties as it is based on orthogonal transformations only. Two systolic architectures are presented on which the throughput is independent of the size of the beamformer     

基于修正N-S方程本构关系的气体动理论耦合方法

随着稀薄程度的增加,Navier-Stokes方程的线性本构关系难以正确描述稀薄气体输运特性,高阶非线性本构关系往往数学形式极为复杂,对数值求解造成稳定性差等问题。为了发展适宜于近空间飞行器气动特性分析的高超声速稀薄流动模拟方法,本文利用求解Boltzmann模型方程的气体动理论统一算法(Gas Kineitc Unified Algorithm,GKUA)对应力张量、热流等宏观量数值积分求解的优势,提出了一种基于数值修正N-S方程本构关系的气体动理论耦合方法。通过将GKUA获得的应力张量及热流用于修正N-S方程的本构关系,实现了存在局部稀薄效应的流动模拟,并且通过可压缩平板边界层、圆柱绕流问题的数值模拟,验证了方法的有效性。     

三维方柱不可压缩绕流的大涡模拟计算

用非定常不可压缩流动求解方法对三维方柱绕流问题作了大涡模拟计算研究.求解程序采用虚拟压缩方法和双时间步的时间推进方案,对流项的差分采用高阶精度的数值差分格式.通过与实验和文献结果比较分析,验证了基于虚拟压缩方法的湍流大涡模拟计算方案对于复杂的三维钝体绕流计算是可行的.     

Robust Navier-Stokes method for predicting unsteady flowfield and aerodynamic characteristics of helicopter rotor

A robust unsteady rotor flowfield solver CLORNS code is established to predict the complex unsteady aerodynamic characteristics of rotor flowfield. In order to handle the difficult problem about grid generation around rotor with complex aerodynamic shape in this CFD code,a parameterized grid generated method is established, and the moving-embedded grids are constructed by several proposed universal methods. In this work, the unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) equations with Spalart-Allmaras are selected as the governing equations to predict the unsteady flowfield of helicopter rotor. The discretization of convective fluxes is accomplished by employing the second-order central difference scheme, third-order MUSCL-Roe scheme, and fifth-order WENO-Roe scheme. Aimed at simulating the unsteady aerodynamic characteristics of helicopter rotor, the dual-time scheme with implicit LU-SGS scheme is employed to accomplish the temporal discretization. In order to improve the computational efficiency of holecells and donor elements searching of the moving-embedded grid technology, the ‘‘disturbance diffraction method" and ‘‘minimum distance scheme of donor elements method" are established in this work. To improve the computational efficiency, Message Passing Interface(MPI) parallel method based on subdivision of grid, local preconditioning method and Full Approximation Storage(FAS) multi-grid method are combined in this code. By comparison of the numerical results simulated by CLORNS code with test data, it is illustrated that the present code could simulate the aerodynamic loads and aerodynamic noise characteristics of helicopter rotor accurately.