适于可压缩多尺度流动的紧致型激波捕捉格式

针对可压缩多尺度流动数值模拟特点,研究一种五阶高分辨率紧致型激波捕捉格式——紧致重构加权基本无振荡(CRWENO)格式。该格式利用非线性权系数将低阶紧致格式加权组合以达到高阶精度。在光滑区域蜕化成具有高分辨率的五阶线性紧致格式,在间断附近则能保持计算稳定无振荡。对CRWENO格式、目前广泛使用的加权基本无振荡(WENO)格式及两格式对应的线性格式(即五阶线性迎风格式和五阶紧致格式)进行数值性能研究,评估非线性权系数对格式耗散及频谱特性的影响。使用一维、二维、三维典型算例进行数值试验,探讨线性/非线性、紧致/非紧致格式在可压缩多尺度流动模拟中的优势和不足。结果表明,CRWENO格式在强压缩性流场模拟中能够稳定地捕捉激波,其紧致特性则改善了非线性格式普遍存在的耗散过大、分辨率较差的问题,使其能够清晰捕捉多尺度流动结构。因此,该格式在可压缩多尺度流动模拟中具有较大优势。     

无自由参数型混合格式

针对紧致-加权本质无振荡混合格式中子格式的权重,设计了新的算子.该算子利用模板的光滑因子求解权重,避免引入自由参数,提高了格式的易用性和鲁棒性.利用新的权重算子,分别将两种五阶迎风紧致格式与WENO-Z(Weighted Essentially Non-Oscillatory Scheme)耦合.新权重算子使子格式之间的切换较为光滑.WENO-Z能够保持格式在极点附近的精度,紧致格式在光滑区域耗散低,混合格式因此能够保持高分辨率、高精度特性以及对间断的捕捉能力.数值试验针对若干双曲型方程算例展开,比较了两种混合格式在采用新权重算子与采用其他典型算子时的数值特性.结果表明无自由参数型权重算子性能良好.      

改进的二维三阶半离散中心迎风格式

对二维三阶半离散中心迎风格式中的权函数给出了简化改进. 在保持格式精度的基础上, 改进后的权函数在二维情况下具有更加简单直接的结构而且严格非负. 该改进方法得到的格式仍然具有半离散中心迎风格式的优点, 同时保持了重构函数的非振性. 时间离散采用保持强稳定性的三阶Runge-Kutta方法, 并利用四阶Lax-Wendroff (L-W) 格式计算磁流体算例中的磁场散度. 用该修正格式计算了二维磁流体数值算例, 得到高精度无振荡的结果, 验证了此方法的有效性.      

差分格式的优化组合

用偏微分方程组解实际的三维紊流流动问题时,如何选择各方程中对流项和扩散项的差分格式将对计算的稳定性、准确性与经济性影响很大.对一个实际的流动问题,计算机模拟验证了迎风差分、中心差分、混和格式、PLDS(Power Law Differencing Scheme)、QUICK(二次迎风插值)和OPTIMAL(Oscillation Preventing Technical algorithm based on the second-order Interpolation Method for Advection Linked convection)的各种组合对计算的稳定性、准确性与经济性的影响.对中心差分应用在雷诺时均方程中出现的数值解的振荡问题提出了在局部网格使用迎风差分的具体对策.对QUICK应用在κ,ε输运方程上出现的数值解的发散问题提出了QUICK和迎风差分格式交替使用的具体方法.      

无振荡、无自由参数格式在三维太阳风流动数值模拟中的应用

从快速、有效地进行空间天气数值预报的需要出发,针对1998年5月份行星际太阳风暴事件,采用全三维流体力学(HD)模型进行数值试验,考察了无振荡、无自由参数(NND)格式在三维太阳风流动数值模拟中的应用.计算中内边界的密度分布由观测K日冕数据来确定,由此得到的源表面密度分布具有和源表面电流片相似的结构.数值试验表明: 虽然该格式不需要加入人工粘性,但是具有很好的计算稳定性.在扰动计算时激波间断耗散小,在三维任何方向上间断所占的网格数比较少,没有数值色散现象.      

基于RoeM格式思想的激波稳定格式构造

Roe格式有着较高的黏性分辨率以及间断分辨率,但它在实际流动模拟时很容易出现激波不稳定现象.此外,它在无黏定常计算时无法保证总焓守恒.为了在保留Roe格式分辨率高的优点基础上改善其上述缺陷,将RoeM格式与高阶激波判别方法相结合,提出了RoeMW1,RoeMW2格式.计算结果表明,在流动较为简单的情况下提出的RoeMW1, RoeMW2 格式可以有效避免激波不稳定现象的出现且保持总焓守恒.而在一些较为复杂的流动结构计算中,虽然比之于RoeM格式均有所改善,但在RoeMW1基础上改进的RoeMW2格式在间断模拟时鲁棒性更强.      

新型三阶TVD限制器性能分析

在计算流体力学(CFD)方法中,限制技术是影响计算精度和计算稳定性的重要因素,目前应用较广的经典二阶总变差衰减(TVD)限制器虽能较好地满足计算要求,但性能差异大且分辨率和耗散的性能间并未得到良好权衡。对一种新型的三阶TVD插值限制器(T-3限制器)进行了研究并将其与3种经典限制器进行对比。首先通过一维黎曼问题,得出T-3限制器兼顾较高间断分辨率和良好稳定性的特点;接着通过高超声速双锥绕流和X-33外形飞行器的数值实验,得到T-3限制器具有刻画复杂流动的能力以及较优的气动热计算性能。     

无振荡、无自由参数格式在数值模拟盔型磁场中太阳风流动的应用

提出了一种离散二维三分量理想磁流体力学守恒型方程组（MHD）的算法（NNDMHD），它有效地控制了磁场散度不为零误差对动量方程组的影响，把气体动力学中计算跨音速流动问题的有效算法——无振荡、无自由参数（NND）格式推广应用到MHD方程组中。利用该算法首先对常见一维和二维算例进行数值试验，得到比较好的结果，消除了间断处的非物理振荡。然后对太阳风在子午面轴对称盔形磁场位形中流动进行数值试验，在这个算例中，物理量沿径向变化大，NNDMHD格式仍然能够有效地控制磁场散度离散不为零误差导致的非物理流动。这个算例的计算结果表明：在网格划分比通常情况和稀4倍时，该算法仍保持很好的计算稳定性。     

高超音速双锥绕流数值模拟的格式效应分析

通过模拟双锥外形高超音速绕流,对各种计算流体力学空间离散格式的性能进行分析.研究了Roe格式、van Leer格式、AUSM(Advection Up-stream Splitting Method)格式、AUSMDV格式、AUSM+格式、上风TVD(Total Variation Diminishing)格式等对双锥高超音速流场特征的模拟能力.结果表明:各空间格式激波分辨率都较高,但粘性分辨率相差很大.其特性与格式耗散性有关,耗散性越小,粘性分辨率越高;格式耗散性对热流极值影响显著,耗散性越小,热流极值越大,其位置越靠近前缘.      

守恒律方程的导数人工压缩法

将高分辨率差分格式用于守恒律方程的导数方程,可以克服传统高分辨率格式在极值点精度退化的缺点,类似于Harten的人工压缩法,新方法称为导数人工压缩法.本方法既能提高间断的分辨率,又能提高极值点处的分辨率,是一种高分辨率低耗散低扩散格式.用单个守恒律方程带间断和多极值的初值问题和一维激波管问题进行了验证,比较了Harten-TVD,人工压缩,导数人工压缩方法的在间断和极值点的分辨率问题.     

Roe格式中不同类型熵修正性能分析

针对Roe格式中较为流行的3类熵修正:Muller型、Harten-Yee型和Harten-Hyman型熵修正,从理论分析入手, 辅以Euler方程为控制方程的激波管问题,前台阶流动和运动激波的双马赫反射3个数值实验,对不同熵修正的性能做了深入研究,得出如下结论: Muller型和Harten-Yee型熵修正方法作用于激波和非物理的膨胀激波2种情况:激波情况下引入的数值耗散,能根本改善"Carbuncle"现象,膨胀激波时其数值粘性也足以使膨胀激波得以耗散;而类Harten-Hyman型熵修正只对膨胀过程起修正作用,对激波情况无效,不能改善"Carbuncle"现象,该类熵修正的数值粘性较小,不足以使膨胀过程正确求解;直接采用 δ 值代替特征值的特征值修正方法效果好于传统的特征值修正方法.     

Application of ADER Scheme in MHD Simulation

The Arbitrary accuracy Derivatives Riemann problem method(ADER) scheme is a new high order numerical scheme based on the concept of finite volume integration,and it is very easy to be extended up to any order of space and time accuracy by using a Taylor time expansion at the cell interface position.So far the approach has been applied successfully to flow mechanics problems.Our objective here is to carry out the extension of multidimensional ADER schemes to multidimensional MHD systems of conservation laws by calculating several MHD problems in one and two dimensions: (ⅰ) Brio-Wu shock tube problem,(ⅱ) Dai-Woodward shock tube problem,(ⅲ) Orszag-Tang MHD vortex problem.The numerical results prove that the ADER scheme possesses the ability to solve MHD problem,remains high order accuracy both in space and time,keeps precise in capturing the shock.Meanwhile,the compared tests show that the ADER scheme can restrain the oscillation and obtain the high order non-oscillatory result.     

迎风格式在二维非结构网格中的应用

将原来在结构网格中提出的AUSM⁺(Advection Upstream Splitting Method)格式,推广应用于二维非结构网格中.利用格林-高斯公式对控制体内的变量进行线性重构,获得空间二阶精度,并采用Barth型限制器以抑制数值解的振荡.为提高计算效率,采用了自适应多重网格法.最后给出了NACA0012翼型和平板激波反射的几个Euler方程的算例,并进行了分析比较.     

迎风格式在二维非结构网格中的应用

将原来在结构网格中提出的AUSM+ (AdvectionUpstreamSplittingMethod)格式 ,推广应用于二维非结构网格中 .利用格林 高斯公式对控制体内的变量进行线性重构 ,获得空间二阶精度 ,并采用Barth型限制器以抑制数值解的振荡 .为提高计算效率 ,采用了自适应多重网格法 .最后给出了NACA0 0 1 2翼型和平板激波反射的几个Euler方程的算例 ,并进行了分析比较 .     

绕AOTV高超音速流场的数值计算

本文采用实质上为二阶精度的隐式无波动、无自由参数耗散(NND)差分格式结合Steger-Warming矢通量分裂方法求解N-S方程,对AOTV外型的高超音速绕流进行了模拟。在计算中,对脱体激波采用了捕获法。作为验证,首先计算了二维圆柱绕流,并同文献[1]的数据进行了比较,取得了满意的结果,算例的计算结果还表明,采用本文的方法对激波的模拟具有较高的分辨能力。     

快速大时间步长熵条件格式的分辨率研究

提出了高分辨率快速大时间步长熵条件格式的构造方法.用激波管问题对一族熵条件格式进行研究.在精度、步长、限制器方面进行了详细的数值实验,研究了同样计算量下各种格式的表现品质.从理论上保证了大时间步长格式的无振荡性质,从具体的数值实验分析中确定了大时间步长格式的分辨率问题.      

TVD格式与高超音速气动加热数值模拟

为了在化学非平衡流动中获得准确的流场解以及表面热流分布,将总变差减小TVD(Total Variation Diminishing)格式中的熵修正函数,由各向同性分布改为各向异性分布,同时让熵修正函数中的参数与流场中的压力梯度分布相关.将改进后的熵修正函数运用到高超音速化学非平衡绕流流场的数值模拟中,获得了较使用原有熵修正函数更为准确的流场参数和表面热流分布.采用改进的熵修正函数,可以提高壁面附近的粘性分辨率,降低热流计算结果对壁面附近法向网格尺度的敏感性.