一类TVD型组合差分方法及其在磁流体数值计算中的应用

根据太阳风数值模拟的特点，考虑到算法的质量（收敛速度、稳定性、精度等），结合磁流体数值计算的特性，对三维球坐标磁流体动力学（MHD）方程组中的流体部分采用一种修正Lax-Friedrichs差分法而对磁场部分采用MacComack格式，发展了一类快捷的具有TVD特性的组合数值新方法，作为格式的检验，在一维情况下，将其与PPM格式进行了比较，对一维快慢磁流体激波问题得到了与PPM格式精度相同的结果，然后将其诮到定态太阳风的数值模拟上，在不同等离子体β情形下，可得到理想的太阳风定态结构，为今后将此数值模式应用到具有复杂磁场位型或三维直实太阳风暴的数值模拟研究奠定了基础。     

A 3rd Order WENO GLM-MHD Scheme for Magnetic Reconnection

A new numerical scheme of 3rd order Weighted Essentially Non-Oscillatory (WENO)type for 2.5D mixed GLM-MHD in Cartesian coordinates is proposed. The MHD equations are modified by combining the arguments as by Dellar and Dedner et al to couple the divergence constraint with the evolution equations using a Generalized Lagrange Multiplier (GLM). Moreover, the magnetohydrodynamic part of the GLM-MHD system is still in conservation form. Meanwhile, this method is very easy to add to an existing code since the underlying MHD solver does not have to be modified. To show the validation and capacity of its application to MHD problem modelling,interaction between a magnetosonic shock and a denser cloud and magnetic reconnection problems are used to verify this new MHD code. The numerical tests for 2D Orszag and Tang's MHD vortex,interaction between a magnetosonic shock and a denser cloud and magnetic reconnection problems show that the third order WENO MHD solvers are robust and yield reliable results by the new mixed GLM or the mixed EGLM correction here even if it can not be shown that how the divergence errors are transported as well as damped as done for one dimensional ideal MHD by Dedner et al.      

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.      

A CLASS OF TWO-STEP TVD MACCORMACK TYPE NUMERICAL SCHEME FOR MHD EQUATIONS

In this paper, a new numerical scheme of Total Variation Diminishing (TVD) Mac-Cormack type for MagnetoHydroDynamic (MHD) equations is proposed by taklng into account of the characteristics such as convergence, stability, resolution. This new scheme is established by solving the MHD equations with a TVD modified MacCormack scheme for the purpose of developing a scheme of quick convergence as well as of TVD property. To show the validation, simplicity and practicability of the scheme for modelling MHD problems, a self-similar Cauchy problem with the discontinuous initial data consisting of constant states, and the collision of two fast MHD shocks, and two-dimensional Orszag and Tang‘s MHD vortex problem are discussed with the numerical results conforming to the existing results obtained by the Roe type TVD, the high-order Godunov scheme, and Weighted Essentially Non-Oscillatory (WENO) scheme. The numerical tests show that this two-step TVD MacCormack numerical scheme for MHD system is of robust operation in the presence of very strong waves, thin shock fronts, thin contact and slip surface discontinuities.     

Splitting Based Scheme for Three-dimensional MHD with Dual Time Stepping

A new hybrid numerical scheme of combining an E-CUSP (Energy-Convective Upwind and Split Pressure) method for the fluid part and the Constrained Transport (CT) for the magnetic induction part is proposed. In order to avoid the occurrence of negative pressure in the reconstructed profiles and its updated value, a positivity preserving method is provided. Furthermore, the MHD equations are solved at each physical time step by advancing in pseudo time. The use of dual time stepping is beneficial in the computation since the use of dual time stepping allows the physical time step not to be limited by the corresponding values in the smallest cell and to be selected based on the numerical accuracy criterion. This newly established hybrid scheme combined with positivity preserving method and dual time technique has demonstrated the accurateness and robustness through numerical experiments of benchmark problems such as the 2D Orszag-Tang vortex problem and the 3D shock-cloud interaction problem.      

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.      

大气波动传播问题的一种无反射数值边界格式

根据无反射边界条件的基本原则,考虑到高阶的数值边界格式可以减小边界误差和虚假反射,利用曲线拟合中最小二乘法的思想,提出了一种高阶的光滑拟合外推边界格式(SFEBS).因为大气运动的控制方程简化后可以归结为一个对流方程,所以作为边界格式之间的比较和检验,在一维情况下用对流方程和数值模拟中具有代表性的波包和激波作为算例,将其与传统的基于Taylor展开思想构造的边界条件(TEBS)进行了比较.计算结果表明,在高阶情况下,用SFEBS计算波动传播问题的虚假反射约为用同阶TEBS计算的1/6,说明高阶的SFEBS可以作为一种很好的无返射数值边界格式.为今后模拟大气波动提供了一种很好的数值边界格式.      

模拟可压缩流的高分辨率有限元法

采用经典的Galerkin方法对N-S方程进行空间离散,再以该半离散格式作为基本格式,参照Kuzmin的思想加入耗散与反耗散项,使所构造的格式具有局部极值不增(LED,Local Extremum Diminishing)性质.对上述半离散格式进行时间离散后所导出的稀疏线性代数方程组,采用了GMRES(Generalized Minimal Residual)迭代法进行求解.为验证所建立的格式及相应的程序,给出了激波管问题和绕圆柱与双椭球超声速流动问题的数值模拟结果.      

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。     

Interaction of shocks with a current sheet and reconnection in the solar corona

Interaction of shocks with a current sheet is investigated within a 2D MHD model based on an improved FCT numerical scheme. Basic parameters of the problem are chosen to correspond to situations in the solar corona with low plasma β and moderate shock strength. Slow and fast MHD shocks are introduced with shock normal parallel to magnetic field lines. The interaction with the current sheet causes distortion of the shock front and this distorts the magnetic field lines and generates electric current. Large current densities are generated especially when the fast MHD shock becomes the intermediate MHD shock at the current sheet. Then peak values of the current density are about 3–4 times larger than the initial undisturbed values in the current sheet.     

广义拉格朗日乘子MHD方程组的两类逆风分裂格式

开发高性能的磁流体力学数值模拟方法是提高空间天气数值预报研究的一个重要方面.有限体积法的逆风分裂格式具有良好的间断捕获能力，Steger-Warming和AUSM（Advection Upstream Splitting Method）是逆风分裂格式FVS（Flux Vector Splitting）方法中具有代表性的两种格式.采用这两种格式求解具有伽利略不变性的扩展型广义拉格朗日乘子磁流体力学（EGLM-MHD）方程组，对Orszag-Tang涡流问题和三维爆炸波问题进行数值模拟，结果表明两种格式均能得到稳定精确的数值结果.与Steger-Warming格式相比，AUSM格式产生的磁场散度误差更小，计算速度更快.      

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.     

三阶中心无振荡格式性能分析

三阶中心无振荡格式Cn3(Centered nonoscillatory scheme of third order)使用对称模板构造具有三阶精度的插值公式.利用单调区域与精确区域修正原始插值参数,该格式能够获得间断附近无振荡、光滑区域高精度的计算结果.通过一维和二维典型算例,将Cn3格式与三阶和五阶WENO格式(Weighted Essentially Non-Oscillatory schemes)进行比较,重点分析了3种格式的间断分辨率、计算稳定性和数值耗散性.分析可见,Cn3格式能够精确、稳定地捕捉激波和接触间断,同时对光滑流动区域的小尺度流动结构保持较低的耗散,值得进一步研究及推广应用.     

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.     

Lax-Friderichs格式在磁流体模拟中的改进和应用

磁流体数值模拟是空间物理研究的重要手段.采用具有TVD（Total Variation Diminishing）特性的Lax-Friderichs差分格式求解了GLM-MHD（Generalized Lagrange Multiplier-Magnetohydrodynamics）方程.为降低格式的数值耗散,引入耗散修正系数对算法的通量计算过程进行改进.二维Rotor算例和磁云-电流片相互作用算例的模拟结果表明,GLM-MHD方法可以有效控制磁场散度误差,相对于泊松校正法可以节省一半以上的计算时间.在不破坏格式稳定性基础上,耗散修正系数有效降低了算法的数值耗散.      

r型网格自适应在间断Galerkin有限元激波捕捉中的应用

间断Galerkin（DG）有限元方法因计算精度高、适用于非结构网格等特点得到广泛研究和应用，其在数值模拟包含强间断流场时存在残差收敛性和计算鲁棒性差问题，均匀分布的网格加剧这一问题并影响激波分辨率。针对该问题，发展了r型网格自适应方法，实现间断Galerkin有限元数值模拟过程中网格自适应加密。基于网格点归一化的压力值作为r型网格自适应中网格点移动驱动力的重要权值，并将网格自适应后的网格点位移变化量与网格点之间的初始位移之比作为驱动力的另一重要权值，实现网格沿激波方向各向异性自适应加密，并且激波附近网格点的相邻网格点同步向激波方向移动。发展了适合间断Galerkin有限元方法的Venkatakrishnan限制器。并列NACA0012翼型超声速算例及三维并列圆柱相互干扰算例结果表明:基于r型网格自适应的间断Galerkin有限元方法能够清晰锐利捕捉激波，提高模拟精度，具有良好的收敛性和鲁棒性。      

行星际空间MHD模拟激波跃变关系分析

分析了模拟得到的可以传播到1AU以远的日地空间磁流体力学激波与Rankine-Hugnoniot跃变关系的符合程度．通过对模拟激波的结构及其在传播过程中的演化进行的分析，提出了模拟激波的定位方法；基于所提出的定位方法，利用向长青提出的确定MHD激波局地参数的方法计算了模拟得到的激波与Rankine-Hugnoniot跃变关系的偏差．结果表明在激波传播到100Rs以后，激波对中前向快激波与Rankine-Hugnoniot关系的符合达到很高的程度，相对误差在10^-2数量级以内；并且在激波传播到150 Rs以后，相对误差在10^-3数量级以内．这个结果说明文中所使用的有限差分数值格式能较好地模拟激波．     

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。     

火星精确定点着陆多信息融合自主导航与控制方法研究

针对火星定点采样、载人登陆和基地构建等任务的需求,提出了一种火星精确定点着陆多信息融合自主导航与控制(Guidance Navigation and Control,GNC)方案。针对大气进入前的高精度导航需求,提出了基于X射线脉冲星和火星表面陆标图像的融合自主导航方法;针对火星着陆探测进入、下降和着陆(Entry,Descent and Landing,EDL)过程的高精度绝对和相对导航需求,提出了基于陆标图像、IMU(Inertial Measurement Unit)和测距测速信息的多信息融合自主导航方法;针对精确定点着陆要求,设计了大气进入和动力下降过程的制导与控制算法。数学仿真结果表明,提出的方案能够实现高精度的定点着陆(精度100 m)和相对避障(精度为0.5 m),可满足任务需求。