适用于气动学问题的DRP类有限差分方法

研究了一类低耗散低色散的高阶精度有限差分方法,目的是直接计算非定常欧拉方程用于气动声学问题.采用的数值方法是空间四阶、时间三阶精度的色散关系保持(DRP:dispersion-relation-preserving)类有限差分格式,通过波动方程算例验证了格式模拟波动问题的能力;采用加变幅值的高波数人工耗散项来抑制高频数值振荡,使得该格式可推广用于含激波、初始间断或非线性波动的问题.通过含激波、初始间断条件的算例验证了所用变幅值人工耗散的有效性,最后作为初步应用计算了二维亚、超音速均匀流中简单点声源辐射问题,得到了很好的结果,表明此类方法在气动声学问题计算上深有潜力.     

无波动、无自由参数的耗散差分格式

本文通过对“模型问题”的研究发现,在激波附近差分解的虚假波动与差分方程的修正方程式的三阶色散项相关。如果适当地调节色散项的系数使之过激波时该系数按要求变号,则可完全抑制激波附近虚假的波动。 在以上发现的基础上,提出了一个有效的无自由参数、无波动的差分格式。文中证明,这个格式就是“TVD格式”,亦可视为格式的推广。 文中对许多二维、三维流动作了计算,结果表明,本文的格式应用方便且可得到满意的结果,对激波有较高的分辨能力。     

二维Euler方程的自适应网格矢通量算法

给出了二维轴对称欧拉方程的自适应网格隐式矢通量分裂差分格式和模拟结果,隐式矢通量分裂格式不需人工粘性项与人工耗散项,可以计算跨声速流场,也可以较准确地捕获激波,利用流场解的梯度信息对网格进行调整,可以提高激波的捕获精度,算例表明,该方法精度高稳定性好,不依赖于初始条件。     

高精度有限差分格式的色散优化及耗散控制

本文综述了我们在高精度有限差分格式的色散优化和耗散控制方面的研究进展。首先,我们提出了半离散有限差分格式色散和耗散相互独立的充分条件,实现了差分格式色散和耗散特性的独立调节。在此基础上,提出了色散最小、耗散可控的高精度差分格式,称为MDCD格式。MDCD格式已经得到了广泛应用,取得了很好的计算效果,但其主要缺点是耗散的调节依赖于经验。为了解决这一问题,我们进一步提出耗散的自适应调节方法。具有自适应耗散特性的高精度有限差分格式的基本特征是,差分格式的耗散能够随解的局部尺度自适应调节。为了构造这类格式,我们提出了一种新型的尺度识别器,它能够以等效无量纲波数的形式来定量衡量数值解的局部长度尺度。在此基础上,设计差分格式耗散参数与尺度识别器得到的等效无量纲波数之间的关系,从而构造了一类色散最小、耗散自适应的差分格式,称为MDAD格式。为了计算含有间断的问题,同时保持在光滑区的良好耗散特性,我们利用尺度识别器对一种经典的激波探测器进行改进,提出了一种新的激波探测器,并将自适应耗散格式与对应的WENO格式相混合,得到自适应耗散混合格式。近似色散关系显示该混合格式兼具高分辨率和鲁棒性。多个含间断流场的标准算例测试结果显示,自适应耗散混合格式具有良好的分辨率和激波捕捉能力。     

二维激波管有障碍物的激波反射流场计算

本文应用最小耗散的混合格式及MacCormack二阶格式加θq╱2耗散修正格式计算了一维激波管Riemann问题、二维激波管中激波与楔的反射流场。这两个格式的特点是对任何初值其耗散项永远不等于零,因而,计算得到的解为物理解,而且除间断外,均具有一致二阶精度,计算出的单波很精确,并且激波分辨度高。本文计算了楔角θ~*=30°、45°,激波马赫数M_s=5.29、10的情况,给出了流场的非定常过程及流场的自模解,一维结果与Riemann问题理论解、二维结果与实验结果的比较,说明计算是成功的。     

一种求解激波问题的中心差分-WENO混合方法研究

为提高求解包含激波问题的计算精度和效率,发展了一种低耗散、高效率的中心差分-WENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory)混合格式,Navier-Stokes方程的无黏项在光滑流场区域采用六阶中心差分格式离散,而间断附近采用五阶WENO格式求解;基于密度设计了一种新型格式开关实现两种格式在光滑区域和间断之间自动切换,确保数值解在间断附近基本无振荡。针对一维激波熵波作用问题验证了混合格式的低耗散特性;对二维Riemann问题的研究表明发展的基于密度的格式开关更为合理,混合格式的计算效率较WENO格式明显提高;将其应用到激波诱导燃烧问题中,混合格式能很好地捕捉定常流场中激波和化学反应锋面的位置以及非定常流场的振荡频率。     

基于二维结构化网格的间断Galerkin方法研究

在二维结构化网格上,对求解Euler方程的间断Galerkin方法进行了研究。应用二阶、三阶精度的问断Galerkin方法对绕NACA0012翼型的跨音速无粘流动进行了数值模拟。在整体逼近精度基本保持不变的前提下,采用moment限制器以消除数值解在激波附近的伪振荡。数值结果表明,间断Galerkin方法能够很好地模拟流场,准确捕捉激波;moment限制器成功抑制了激波附近的伪振荡;高阶格式具有比低阶格式更强的激波捕捉能力。     

矢通量分裂-TVD杂交新格式及其应用

在贴体曲线坐标系中,本文提出了一个高分辨率的新格式,它是Steger-Warming的矢通量分裂与Harten的TVD(Total Variation Diminishing)格式的杂交,用于计算跨音速定常流动和捕获激波。典型的跨音速内流和叶栅流的算例表明:在60×15网格下捕获的激波过渡区不超过两个网格,证明其分辨率较高;分析激波附近的数值结果,没出现“低亏、过跳”、伪振荡现象;与实验结果的比较表明,对定常流在无人为附加耗散项的条件下它能给出较高质量无数值波动的激波流场解。     

钝锥大攻角超声速分离流场的数值模拟

最近,张涵信等人在传统的Beam-Warming隐式、无迭代、空间推进技术的基础上,根据边界层方程的性质,设计了一种可用小步长推进求解抛物化NS(PNS)方程、而不会引起解的“漂移现象”发生的方法。这种方法对轴对称流动的计算是成功的。本文就是将这一思想推广应用于大攻角有周向分离的流场计算。求解的区域为具有薄亚声速层的有粘与无粘干扰的整个激波层内的流场。在对攻角α=0°和α=20°的球钝锥的计算中,关于壁面上的压力、热流率及流场的涡旋结构均得到了满意的结果。文中特别研究了钝锥大攻角绕流的流动分离图象。 为了增强块三对角矩阵的主对角优势,通常在差分方程的左端附加二阶增量项。本文以选取适当小的推进步长的方法来达到增强主对角优势的目的,不需再附加二阶增量项,从而提高了解的精度。     

一种基于幅值和波数的耗散控制方法

激波捕捉格式可以根据局部流场的光滑程度自适应地控制耗散，以抑制小尺度的非物理波动并解析更多的大尺度流动结构。为了更好地识别激波捕捉过程中产生的小尺度非物理波动，进而更精确地控制耗散，提出一种基于局部流场的幅值和波数控制耗散的方法。对于激波主导的或各向同性湍流的具有强烈非定常性的问题，根据一维非定常欧拉方程，推导小尺度下不同物理量之间的关系，并通过数值实验或Kolmogorov尺度理论确定小尺度波动幅值的阈值。最后，基于傅里叶分析及小尺度波动幅值的阈值，建立耗散大小与局部流场的幅值和波数的关系。为了获得激波捕捉能力，将该格式与TENO(Targeted Essentially Non-Oscillatory)格式进行混合构造了混合格式。一系列激波主导的基准算例显示，该格式在计算过程中产生的小尺度非物理波动的波数更低，幅值更小，并对大尺度的流动结构具有更好的分辨率。     

Navier—Stokes（NS）方程组差分计算中的物理和网格尺度效应及NS方程组的简化

对于高Re数流动计算，在通常二阶精度NS差分格式和网格数条件下，存在某些粘性项落入修正微分方程截断误差项的问题。这类NS方程组计算实际是计算某种简化NS方程组，而且重复计算误差物理粘性项既浪费机时和内存，误差积累又会对数值解产生不可预测的影响，避免外述缺陷的办法一个提高NS差分格式的精度，另一个是丢掉可能落入截断误差项的物理粘性项，把NS方程组简化为广义NS方程组，广义NS计算避免了误差物理粘性项误差积累对数值解的不可知影响，又可节省内存和机时，对高Re数流体工程计算很有好处。利用广义NS方程组计算超声速绕前向和后向台阶流动的结果表明：广义NS方程组与NS方程组的数值结果很好相符符。     

高精度两步TVD格式的构造及数值检验

基于通量分裂的思想,利用Taylor级数理论和第二步限制器函数的控制,构造了在光滑区域空间为三阶、时间为一阶精度的高分辨率全变差递减(TVD)格式.该格式在激波过渡点降为一阶迎风格式.并从单个线形方程推广到非线性方程及方程组情形.通过几个典型算例的计算,并与二阶TVD格式作了比较,表明该方法对流场中的激波有较高的分辨率,且是无波动的.     

双曲守恒律方程的一种熵相容格式

提出了一种求解双曲守恒律方程的熵相容数值通量。在熵守恒通量中添加一个二阶迎风项和一个三阶的差商项来保持熵稳定并且抵消解在跨过激波时所产生的激波强度立方倍的熵增,从而实现熵相容。新的数值通量能精确保持定常的接触间断、消除非物理的膨胀激波及负压力等现象。通过采用近年发展起来的WENO方法在单元交界面处进行高阶重构,得到高阶精度的熵相容格式。数值算例采用空间半离散格式,并结合显式三步三阶Runge-Kutta(RK3)方法进行时间推进。不同的算例结果表明,格式具有稳定性、高分辨率和无振荡性等特点。     

烧蚀外形方程差分计算方法研究

分析了烧蚀外形方程的性质,研究了人工粘性项对烧蚀外形计算结果的影响,发现人工粘性在抹平非物理波动的同时,会严重影响计算精度.借鉴于CFD中NND格式的思想,构造了求解烧蚀外形方程的无波动、无自由参数的耗散差分格式,得到了满意的计算结果.     

自吸气脉冲爆震发动机超声速进气道气动性能的数值研究

采用有限体积法计算了某轴对称超声速进气道,在不同幅度和频率的出口扰动压强下的进气道内结尾正激波的运动情况,得出了进气道内结尾正激波运动特性和扰动压强的频率和幅度的关系。在计算中,本文采用了多块结构化网格,控制体积的界面无粘通量采用三阶迎风格式插值获得,同时采用了minmod通量限制器,以确保在激波处的解的物理特性;扩散通量采用二阶中心差分格式插值获得。定常计算采用当地时间步法,非定常计算采用双时间步法。离散的代数方程采用交替方向迭代法求解。     

有关有限差分高精度格式两个应用问题的讨论

激波装配法结合有限差分高精度格式是发展全场一致高精度算法的一种途径。在对流场内的间断全部进行装配后,对高精度格式的应用研究成为发展本算法的主要研究问题。本文将有限差分的高精度格式应用于贴体坐标系时发现,对均匀流场,高精度格式因不满足几何守恒律而产生的数值误差比一阶迎风格式大,初步分析认为是由于高精度格式所用的模板比一阶格式更宽,涉及的网格点数更多,从而引入了更多的误差。而作者提出的基于离散等价方程的相容性算法可消除这一误差。此外,本文在利用激波捕捉法求解正方形均匀网格上的正激波运动问题时发现因通量分裂格式的使用,在激波处会产生随着特征线传播的非物理波动,这一波动在激波与网格不完全匹配时表现为多维波动相互干扰的虚假"数值湍流"现象,高精度格式的高分辨率特性使得这一现象更加明显。这是因为激波捕捉法假设激波为空间连续函数,用于包含激波的流场时必然得到数值解表示的过渡区,导致可信度评估困难,使用激波装配法可以避免这一问题。     

台阶后紊流场的大涡模拟

用大涡模拟法对台阶后复杂的紊流场进行了数值研究。用有限体积法求解滤波N－S方程，亚格子紊流模型采用结构模型。数值计算中，对流项，扩散项和时间分别采用三阶SHARP中式，二阶中心差分格式和三阶Runge-Kutta格式，给出了台阶后紊流场的时间统计特性，瞬时特性和紊流强度分布，并与试验结果进行了比较。     

一种混合型四阶格式、基于特征的边界条件及其应用

本文描述并应用差分格式的构造原则,采用了时空转换的格式构造方法构造了一个四阶精度的差分格式,文中还进一步提出将四阶格式和二阶ＮＮＤ格式混合的方法,即在光滑区格式保持四阶精度、在激波附近降为二阶ＮＮＤ格式,来增强格式捕捉激波的能力。同时,本文基于特征传播的思想,建立了一种开边界的数值计算方法,并采用将边界条件嵌入控制方程的方法以及新的简化形式的边界处理方法,完整给出了无粘、粘性物面和开边界的的边界计     

捕捉间断的高精度数值方法

为发展适用于捕捉超声速流场中各种间断的高精度算法,将通量限制的思想引入到紧致格式中,构造了一个传统方法与紧致格式混合组成的通量限制型差分格式.通过在时间方向上利用一阶精度格式计算的一维定常激波,以及在时间方向采用多步Runge-Kutta方法计算的一维非定常激波管问题上的数值试验与二阶精度的TVD格式所计算的结果比较,表明新方法比二阶精度方法在间断的捕捉上具有明显的优势.通过新方法的计算结果与精确解的比较,表明新方法的准度也是非常令人满意的.     

使用GAO—YONG湍流模型数值研究管道凸起流动

用GAO—YONG可压缩湍流方程数值模拟了Delery管道凸起跨音流场中的激波湍流边界层干扰现象。分析了GAO-YONG可压缩湍流方程组对湍流的非平衡、多尺度、各向异性等特性的描述能力。计算中对流项、扩散项分别采用二阶ROE格式和二阶中心差分格式离散,并用多步Runge-Kutta显式时间推进法求解了空间离散后的控制方程。计算很好地模拟到了压力平台区、“入”波结构等典型激波湍流边界层干扰的流动现象,也得到了壁面压力分布、平均速度剖面以及雷诺应力分布等,并与相应的实验数据进行了对比分析,两者符合很好。