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%。     

基于伴随方程的网格自适应及误差修正

基于流场方程的离散伴随优化理论和三维非结构网格,建立了网格自适应技术和目标函数误差修正方法。详细研究了用流动伴随变量进行目标函数的误差估计和修正技术,构造了适用于格心格式有限体积法的流场变量插值技术和网格单元剖分判据,初步实现了网格物面投影和空间单元优化,发展了适用于有限体积法的整套网格自适应方法。对NACA0012翼型和ONERA-M6机翼绕流进行了自适应数值模拟,并对升、阻力等目标函数进行了误差修正。数值结果表明,本文自适应方法能正确地捕捉到影响目标函数计算精度的敏感区域,网格自适应和误差修正两项技术显著提高了升、阻力等目标函数的计算精度。     

含运动边界二维多体干扰流场的数值模拟

本文采用二阶精度Godonov扩展方法求解非定常：Euler方程，以基于格心的自适应非结构网格的显式有限体积法为基础，空间和时间都是二阶精度，使用HLLC近似黎曼解的方法计算网格单元边界处的守恒量通量，对作俯仰振动的NACA0012翼型绕流及激波管中运动、静止圆柱的流场进行了数值模拟，并对数值模拟的结果进行了分析，为进一步对含多体分离流场进行数值模拟打下了基础。     

基于无网格算法的化学非平衡流数值模拟

为了验证AUSMPW+格式在无网格算法的精度等以及无网格算法能否用于复杂化学非平衡流数值模拟中,首先将AUSMPW+格式推广到无网格算法中,给出了AUSMPW+在无网格算法中的具体形式。其次,将无网格算法应用于带化学反应的多组分气体Euler方程的求解,给出无网格条件下求解化学非平衡流的具体过程。最后,对NACA0012跨声速绕流场、高超声速弹丸绕流场、氢气/氧气诱导燃烧流场、球锥高超声速绕流场、楔体斜爆轰流场进行了数值模拟。数值模拟结果与相关文献计算结果和实验结果吻合较好,表明了AUSMPW+格式在无网格算法中表现较高精度。同时,采用无网格算法能较好地模拟复杂化学非平衡流场,正确分辨复杂的物理现象,为化学非平衡流数值模拟提供一种新的算法,拓宽了无网格算法的应用范围。     

二维多段翼型网格生成与数值模拟研究

为提高多段翼型的网格生成效率和数值模拟精度,发展了一套自适应混合笛卡尔网格(AHCG)生成方法和基于有限体积方法的雷诺数平均Navier-Stokes (RANS)的数值求解技术.混合笛卡尔网格由围绕物体几何外形的贴体结构网格和填充流场其他区域的笛卡尔网格构成,两套网格之间的信息传递由“贡献单元”提供,且“贡献单元”由基于ADT(Alternating digital tree)技术的搜寻方法获得.为更准确地捕捉流场信息,采用了基于流场特征的网格自适应技术.数值模拟结果显示,AHCG方法能够准确且高效地模拟高升力多段翼型绕流问题.     

基于重叠网格技术和多重网格算法的悬停旋翼粘性绕流数值模拟

发展了一种基于重叠网格的多重网格算法,并应用于悬停旋翼粘性绕流的Navier-Stokes方程数值模拟.多重网格算法在重叠网格上实施主要面临如下两个问题:粗网格间几何关系的建立,即洞单元、边界单元的确定;洞边界存在的情况下如何进行粗细网格间流场信息的传递.本文针对以上问题给出了相应的解决方案.采用两层网格的V循环,应用有限体积法对一跨声速悬停旋翼粘性流场进行了数值计算.计算结果表明该多重网格方法可以显著加快悬停旋翼粘性流场数值解收敛速度,加速比约为3.     

基于自适应混合网格的脱体涡模拟

基于混合网格和CGNS（CFD General Notation System）数据结构,建立了一种各向同性加密/稀疏的网格自适应方法。在悬空点的后处理中,让含有悬空点的单元转化为任意多面体,从而简化了自适应单元剖分模版,同时自适应网格单元之间可完全相容,自适应生成的网格能够直接用于可处理任意多面体的流场求解器。将该自适应方法与脱体涡模拟（DES）算法相结合,开展了65°后掠三角翼大迎角流动的数值模拟应用,并与初始网格的模拟结果进行了详细比较。对比表明：采用网格自适应方法适当增加局部网格量,能够以较小的成本迅速提高三角翼背风区的空间分辨率,增强数值模拟对小尺度涡系结构的解析能力,从而弥补了基于混合网格的脱体涡模拟中常用二阶格式计算的空间分辨率相对偏低、不利于湍流多尺度结构精细模拟的不足。     

三维非结构自适应多重网格技术

发展了一种基于几何外形的非结构自适应多重网格技术。根据流场参数的变化梯度确定加密边,由加密准则对粗网格进行自适应剖分得到分布合理的较密网格。通过预先生成的初始极密表面网格来将边界网格的加密点投影到边界上,使得边界保持初始外形。为了提高流场求解速度,将自适应加密后的一系列网格作为多重网格,采用了多重网格算法进行计算。M6机翼的流场计算表明该方法可以准确捕捉激波位置,并且表面的压力系数分布与实验值相吻合。     

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.      

适于黏性计算的自适应笛卡儿网格生成及其应用

复杂外形的黏性网格生成已经成为计算流体力学(CFD)在工程应用中的主要瓶颈,高效而鲁棒的网格生成技术研究显得尤为迫切.使用基于物面外形自适应加密的笛卡儿网格方法生成计算网格,投影方法拟合壁面边界,将投影得到的柱形单元沿法向分层获得适于黏性计算的网格.应用特征恢复技术恢复凹面特征并改善凸面处的网格质量.流场解算中应用最小二乘法重构获得2阶精度,Roe格式计算无黏通量,Holmes-Connell方法计算黏性通量.加入Spalart-Allmaras一方程湍流模型以获得湍流解.上下对称高斯-赛德尔迭代(LU-SGS)格式隐式时间推进,对网格重排序保证格式的稳定性和平衡性.算例显示网格生成方法是快速的和鲁棒的,流场计算精度满足工程需求,因此该方法非常适合应用于实际工程计算.     

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...     

基于高拟真度模型的高超声速飞行器静气动弹性优化

为解决基于计算流体动力学(CFD)和计算结构动力学(CSD)高拟真度模型的静气动弹性优化过程中模型更新自动化困难、求解速度慢的难点,提出了基于几何主模型技术的CFD/CSD一体化参数化建模方法和基于网格单元修正的常体积四面体(CVT)数据交换技术,并引入响应面模型来降低气动弹性优化求解难度.通过AGARD 445.6机翼静气动弹性分析对上述方法的可行性和有效性进行了验证;并以某高超声速飞行器为例,采用基于二次响应面的多目标优化算法进行了CFD/CSD气动弹性分析与优化,优化后飞行器升阻比增加16%,结构质量减少9%,且响应面模型精度拟合误差不超过1.5%.计算结果表明:所发展的CFD/CSD一体化参数化建模与优化方法能够有效地解决高拟真度模型的静气动弹性优化问题.      

空间曲面的非结构网格生成

介绍一种空间曲面的 Delaunay三角形网格生成技术。采用参数表示法将空间曲面变换为平面参数域,引入相关的度量矩阵后将平面参数域进行三角剖分,最后得到空间曲面的三角剖分。空间曲面的边界点作为已知点被给定,内点采用一类自动生成的方法计算,例如按边插点法,Voronoi边插点法等。该方法可以很好地控制曲面网格的质量,使用方便,可以直接用于物理问题数值模拟中的曲面网格生成,也可以用于三维非结构网格生成中提供边界面三角剖分。文中给出的算例说明了本方法的应用情况。     

Delaunay graph-based moving mesh method with damping functions

The fluid–structure interaction and aerodynamic shape optimization usually involve the moving or deforming boundaries, thus the dynamic mesh techniques are the key techniques to cope with such deformation. A novel dynamic mesh method was developed based on the Delaunay graph in this paper. According to the Delaunay graph, the mesh points were divided into groups. In each group, a factor ranging from 0 to 1 was calculated based on the area/volume ratio. By introducing a proper function for this factor, this method can control the mesh quality with high efficiency. Several test cases were compared with other dynamic mesh methods regarding mesh quality and CPU time, such as radial basis function method and Delaunay graph mapping method.     

An efficient large-scale mesh deformation method based on MPI/OpenMP hybrid parallel radial basis function interpolation

An efficient MPI/OpenMP hybrid parallel Radial Basis Function (RBF) strategy for both continuous and discontinuous large-scale mesh deformation is proposed to reduce the computational cost and memory consumption. Unlike the conventional parallel methods in which all processors use the same surface displacement and implement the same operation, the present method employs different surface points sets and influence radius for each volume point movement, accompanied with efficient geometry searching strategy. The deformed surface points, also called Control Points (CPs), are stored in each processor. The displacement of spatial points is interpolated by using only 20–50 nearest control points, and the local influence radius is set to 5–20 times the maximum displacement of control points. To shorten the searching time for the nearest control point clouds, an Alternating Digital Tree (ADT) algorithm for 3D complex geometry is designed based on an iterative bisection technique. Besides, an MPI/OpenMP hybrid parallel approach is developed to reduce the memory cost in each High-Performance Computing (HPC) node for large-scale applications. Three 3D cases, including the ONERA-M6 wing and a commercial transport airplane standard model with up to 2.5 billion hybrid elements, are used to test the present mesh deformation method. The robustness and high parallel efficiency are demonstrated by a wing deflection case with a maximum bending angle of 45° and more than 80% parallel efficiency with 1024 MPI processors. In addition, the availability for both continuous and discontinuous surface deformation is verified by interpolating the projecting displacement with opposite directions surface points to the spatial points.     

基于自由变形技术的分流叶片形状优化设计

基于自由变形技术(FFD)和计算流体力学(CFD)建立了离心压缩机叶片形状优化设计的方法,从而避免了对复杂的实体造型本身进行参数化,提高了优化效率。首先基于自由变形技术建立分流叶片外形的参数化表示,根据优化拉丁超立方试验设计方法构建控制点变化的样本空间,接着通过CFD数值仿真获得各样本的性能参数并建立响应面分析法(RSM)模型,以压缩比与等熵效率最大化目标构建多目标优化模型,进一步采用最小偏差法转化为单目标优化模型并进行求解,最后分析比较了形状优化对压缩机性能和流道内流体流动的影响。结果表明形状优化后压缩机的压缩比提升0.46%,等熵效率提升0.84%,同时减少了流道内低速区域,降低了流动损失。      

高效非结构网格变形与流场插值方法

非结构动网格在含动边界的非定常流动模拟中应用十分广泛。为了提高网格变形的计算效率和对复杂外形的适用性,发展了高效的K近邻-径向基函数（KNN-RBF）动网格方法。并采用高效的交界面节点一致性方法实现了网格变形的并行化。由于边界的运动和变形形式多种多样,在自主开发的计算流体力学（CFD）程序中实现了动网格的用户自定义函数（UDF）功能模块,可以灵活地设置此类问题中的边界运动。在模拟大变形问题时,采用了全局网格重构的策略对网格质量较差的区域进行处理。提出了快速查找新旧网格最近点的两级KD（K-Dimensional）树方法,并根据最近点在新旧网格间进行流场插值。从而建立了高效健壮的并行流场插值方法。通过对若干算例进行模拟,验证了所发展方法的正确性和健壮性。     

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。