模拟三维粘性流动的显式多重网格算法

提出一种模拟三维粘性流动的显小多重网格算法。该算法以Ｎｉ与Ｊｏｈｎｓｏｎ所提出的二维多重网格技术为基础,采用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ显式格式结合空间变时间步长推进,分别在细、粗网格层上对雷诺平均Ｎ－Ｓ方程进行交替求解。在多重网格计算过程中,以最细网格层上新、旧迭代解来近似通量的时间导数。建立了新的多重网格迭代格式。该格式避免了Ｎｉ的原型格式对Ｊａｃｏｂｉａｎ矩阵的附加计算。从而节约了大量机时,较大程度地提高了收敛速度。应用所建立的算法模拟了非轴对称二元收缩、扩张长喷管的内部流动,并同实验数据进行了对比,两者相吻合,表明所建立的算法是可靠的。     

二元矢量喷管内流特性的数值模拟

应用多重网格ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ显示格式对不同矢量角下二元喷管的流动进行了模拟分析。计算时,在细网络上采用了雷诺平均Ｎ－Ｓ方程和Ｋ－ε湍流模型方程;在粗网格上则采用Ｅｕｌｅｒ方程。数值计算给出了较清晰的流谱。壁面压力分布的计算值也与实验结果吻合。通过计算结果分析了喷管几何参数对流场的影响。所得结果显示出多重网格算法高效可靠,可用于开展参数研究     

超声速有翼飞行器的无粘分区数值模拟

本文采用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ两步显式格式，用空间推进法求解Ｅｕｌｅｒ方程来对有翼飞行器的超声速绕流流场进行数值模拟，应用特征边条件处理场面边界及装配激波的计算，在翼缘及表面斜率不连续处，采用局部解析处理，提高了算法的可靠性，复杂外形的计算采用分区处理技术，网格由代数形式生成，在大攻角的计算中，通过对横流速度型的修正改善了背风面压力分布特性，解决了推进中断问题，同时模拟出背风面涡。     

热化学非平衡喷管流场的数值研究

从非定常的基本方程出发,采用时间相关法,利用时间预处理的ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ格式对空气为实验气体的７组元热化学非平衡一维喷管流场进行了数值计算,并分析了热化学非平衡对流场的影响。结果表明,对于一些实际应用的喷管条件,热化学非平衡具有较为显著的影响。     

高空台扩压器的数值模拟

从雷诺平均的非定常Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程出发,利用时间相关法,采用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ两步显格式,结合Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型,数值模拟了高空台扩压器的内部流场,并计算了扩压器的性能。结果表明,采用求解Ｎ－Ｓ方程的方法计算高空台扩压器性能是一种有效的方法。     

喷管内流场并行计算方法研究

建立了基于区域分解的并行计算方法,将已有的后台阶喷管内流场三维ＴＶＤＭａｃ－Ｃｏｒｍａｃｋ显式格式的串行计算程序改造成为并行程序,获得了较高的并行加速比。并行计算结果同串行结果进行了对比,证明计算是成功的。     

固体火箭发动机内轴对称两相流场的一体化数值模拟

将固体火箭发动机燃烧室和喷管作为一个整体，应用时间相关法进行了轴对称两相流场的一体化数值模拟。对气相采用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ显式差分格式，对颗粒相则采用特征线法进行计算。计算结果表明该方法可以对带潜入式喷管的发动机内复杂的两相流场进行有效的数值模拟。     

球锥俯仰阻尼导数的数值计算

本文从非定常Ｅｕｌｅｒ方程出发，应用谐振摄动法计算了球锥体超声速、高超声速下的俯仰阻尼导数和。Ｅｕｌｅｒ方程的求解利用ＳＣＭ方法和ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ的两步算法。文中用任意攻角下不同俯仰轴的气动导数转换公式来简化计算，用较粗网格可以得到较精确的结果，程序编制相对简单。一次计算可以得到定常绕流解及一系列钝头率、不同俯仰轴下的多种动导数结果，在ＥＬＸＳＩ６４００机上约需２０～４０分钟。所得结果与试验结果符合程度令人满意。     

用TVD方法模拟喷管内的横流流场

采用显式的ＴＶＤ ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ格式，并结合Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ的代数湍流模型和低雷诺数两方程ｋ－ε模型分别求解了喷管内横流流场的二维Ｎ－Ｓ方程，得到了与理论分析结果相近似的流场结构图谱，并对代数湍流模型和两方程模型得到的结果进行了比较，表明运用两方程模型所得到的结果稍好于代数模型。     

超燃发动机燃烧室流场的数值模拟

用显式有限差分法对超燃发动机（Ｓｃｒａｍｊｅｔ）的燃烧室内流场进行了数值模拟。计算中采用了ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ两步显格式、Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型以及两方程、四组分的化学反应模型。为了解决源项的刚性问题，运用点隐式方法对它作了隐式处理。     

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。     

多段翼型大迎角下主翼、襟翼上的分离流及缝道流动

使用雷诺平均N-S方程、采用可用于较大分离区的Johnson-King紊流模型、嵌套网格和有限体积法研究大迎角下的多段翼型绕流,特别是主翼、襟翼上的分离流动及缝道流动。利用嵌合体技术对组合体每一部分生成高质量并适于高效求解的贴体网格。以具有17%相对厚度的GAW-1翼型带30%襟翼翼型为例进行了计算,计算结果与实验结果吻合很好,证实该方法可以较好地预计多段翼型上的分离流、缝道流动与最大升力。     

二维结构/非结构混合网格的生成及其流场模拟

采用分区求解方法在二维结构/非结构混合网格中对粘性绕流作了数值模拟。利用层面推进法生成绕物体的O形结构网格,利用推进阵面法在结构网格外生成非结构网格。在结构网格区内,采用B-L湍流模型,求解雷诺平均N-S方程。在非结构网格区内求解Euler方程。两区的解通过在交界面上满足通量守恒条件进行耦合。数值算例表明了方法的有效性和实用性。     

Automated design methodology of turbulent internal flow using discrete adjoint formulation

An optimal shape design approach is presented for a subsonic S-shaped intake geometry using aerodynamic sensitivity analysis. Sensitivity analysis is performed for the three-dimensional Navier–Stokes equations coupled with two-equation turbulence models using a discrete adjoint method. For code validation, the result of the flow solver is compared with experimental data and other computational results. Through the study on turbulence models and grid refinement, results from several turbulence models are compared and the minimal number of grid points yielding an accurate numerical solution is obtained. And, the adjoint sensitivity code is also validated by the comparison with complex step derivative results. To obtain a sufficient and flexible design space, NURBS equations are employed as a geometric representation and a new grid modification technique, Least Square NURBS Grid Approximation is applied. With the verified flow solver, sensitivity analysis code and geometric modification technique, the optimization of the S-shaped intake is carried out and the enhancement of overall intake performance is achieved. In addition, the off-design performance of a designed S-shaped intake is tested to confirm the robustness of the current design approach. As a result, the capability and efficiency of the present design tools are successfully demonstrated in three-dimensional high Reynolds subsonic intake design.     

涵道尾桨的CFD模拟与验证

采用CFD(计算流体力学)方法分析在悬停和侧飞时直升机涵道尾桨的流场与性能。在轴对称的圆柱坐标系中,用有限容积法和SIMPLE(压力耦合方程的半隐式法)算法求解定常不可压的湍流N-S方程。在分析中,旋转的螺桨被描绘成沿螺桨桨叶展向分布的、与本地流动参数相关的、时间平均的动量源项,通过在N-S方程中加入此动量源项来替代螺桨对流体的作用。计算方法还包括涵道壁的阶梯型近似,原始变量的交错网格,k-ε湍流模型和涵道壁上的壁面函数法等措施。涵道尾桨的流场分析和性能预测同实验测量数据的良好的一致性表明,这种CFD方法可以有效的分析涵道尾桨的具体设计问题。      

鲁棒的结构网格自动化重叠方法

网格技术是目前数值模拟中的关键技术之一。重叠网格是一种放宽拓扑要求、减小网格生成难度的网格技术。本文以结构重叠网格为基础,分别针对挖洞、寻点以及洞面优化方法进行了研究和改进,同时完成物面网格重叠,形成了一套鲁棒的、自动化的网格重叠系统。在挖洞方面,结合“最小洞映射”方法,提出“复合式挖洞”方法,节省内存开销;在寻点方面,通过构建格心虚网格,保证搜索空间的连续性,同时结合“有效搜索”思想,排除部分对寻点无贡献的网格点,进而减少ADT叉树节点;在洞面优化上,改变填补判别法则并引入两类受保护洞内点,确保两层插值边界建立,提高鲁棒性;在物面网格重叠上,利用物面投影法完成坐标修正,实现物面附近网格流动变量的准确传递。为验证本文方法,分别对定常翼身组合体DLR-F6绕流和非定常机翼挂载分离过程进行了数值模拟,计算结果与实验结果吻合良好,表明该结构重叠网格系统对多物体间定常、非定常扰流具有较好的数值模拟能力和较高的模拟精度,具有较高的工程应用价值。     

翼-身-尾组合体的网格生成及 Euler 方程数值模拟

采用代数方法快速生成翼-身-尾组合体三维O-C型贴体网格。该代数网格生成方法使用双边界法,可保证物面附近近似正交,真实地模拟了机身头部及与机翼、尾翼交界处的形状,提高了代数方法生成网格的质量。并用中心格式有限体积法求解跨声速Euler方程,以某翼-身-尾组合体模型为例,计算结果与实验符合良好。     

直接统计模拟位置元方法中的分子表面反射确定论判据

在直接模拟Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ（ＤＳＭＣ）方法的位置元方法中准确判断分子是否与某一表面元相撞,直接关系着气动力热的计算精度,是方法需要解决的关键问题。本文发展的分子表面反射判据,使这个问题得到了有效的解决。此外,还讨论了分子空间位置坐标的记录方法、分子碰撞对的极限距离、网格自适应等实际模拟技术。与圆球自由分子流准确解和过渡领域贴体网格ＤＳＭＣ模拟结果的比较,证明了上述判据和技术的有效性。     

燃气轮机燃烧室中贴体网格的生成与应用

运用贴体坐标系统分别对燃气轮机燃烧室的冷态和热态流场进行了数值模拟。燃烧室的曲线壁面边界用Ｔｈｏｍｐｓｏｎ的非正交贴体坐标网格处理，并把ＳＩＭＰＬＥ算法应用到曲线坐标系下求解各守恒方程。采用双方程ｋ－ε模型来描述紊流特性；采用按简单的单步化学反应假设的Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ－ＥＢＵ模型表述紊流燃烧；采用热通量法辐射模型来估算辐射通量和壁面温度。另外，还研究了冷态时不同旋流数和紊流强度对气流结构的影响。     

A 3D hybrid grid generation technique and a multigrid/parallel algorithm based on anisotropic agglomeration approach

A hybrid grid generation technique and a multigrid/parallel algorithm are presented in this paper for turbulence flow simulations over three-dimensional (3D) complex geometries. The hybrid grid generation technique is based on an agglomeration method of anisotropic tetrahedrons. Firstly, the complex computational domain is covered by pure tetrahedral grids, in which anisotropic tetrahedrons are adopted to discrete the boundary layer and isotropic tetrahedrons in the outer field. Then, the anisotropic tetrahedrons in the boundary layer are agglomerated to generate prismatic grids. The agglomeration method can improve the grid quality in boundary layer and reduce the grid quantity to enhance the numerical accuracy and efficiency. In order to accelerate the convergence history, a multigrid/parallel algorithm is developed also based on anisotropic agglomeration approach. The numerical results demonstrate the excellent accelerating capability of this multigrid method.