跨声速压气机数值模拟格式效应研究

针对跨声速叶轮机械复杂内部粘性流动,开发了全三维高精度RANS数值求解器。分别采用FVS格式与AUSM+格式结合多种限制器对Rotor 67跨声速压气机转子进行数值模拟,分析和比较了各格式的计算效果并与试验结果对比。结果表明:与FVS格式相比,AUSM+格式的数值粘性更小,边界层的模拟精度更高;Hemker限制器的综合表现最优,Van Albada限制器的粘性分辨率略低于Hemker限制器,Minmod限制器对流动分离现象的捕捉能力较差,Van Leer限制器容易引入色散误差。     

非结构网格、混合网格下计算方法研究

为了提高计算精度，本文研究了计算格式和网格技术。通过比较非结构网格下的NND格式、MUSCL格式、ENO格式及最小二乘格式的计算精度和波动，选择利用NND方法中的守恒变量法来建立非结构网格下的计算格式，通过改进NND方法中的限制器来提高计算精度和分辨率，计算结果比较显示出该格式具有很高的分辨率和计算精度。本文也研究了非定常网格自适应技术，计算给出了双马赫反射问题的新旧限制器及网格自适应计算结果比较，新限制器网格自适应后计算得到的滑移线出现了剪切涡现象，这表明，数值计算中取足够密的网格和构造高精度格式是非常必要的。     

LU-AUSMPW混合格式在可压缩无粘和粘性流动数值分析中的应用

本文首先将 AUSMPW格式与三阶 MUSCL格式融合, 给出了其在任意曲线坐标下的三维形式, 并将其与 LU-SGS格式结合, 应用于可压缩 Euler和 Navier-Stokes方程的求解。其次, 构造了一种新的通量限制器。最后, 为了验证 LU -AUSMPW混合格式的性能, 将平面叶栅跨音速无粘流动以及喷管超音速粘性流动作为算例。本文计算结果与文献计算结果和实验数据相符很好, 表明采用 LU-AUSMPW混合格式数值模拟可压缩流场, 具有较高的计算精度、较快的收敛速度和良好的稳定性。      

非结构网格通量重构算法下三种紧致WENO限制器对比研究

在通量重构算法框架下对比研究了3种最新提出的用于间断伽辽金算法的紧致型WENO(weighted essentially non-oscillatory)限制器，即简单WENO限制器、p阶加权WENO限制器和多精度WENO限制器。这3种WENO限制器能够较高精度地模拟流场并捕捉激波，其紧致性在于问题网格单元中的重构只涉及问题网格单元及其相邻网格单元。同时，使用保精度的保正限制器用以避免可能出现的非物理的密度和压力负值。最后，采用非结构四边形网格在双马赫反射、激波与涡相互作用、激波反射、黏性弓形激波和激波与层流边界层相互作用等多个二维算例中，对这3种WENO限制器进行分析比较。结果显示：多精度WENO限制器与p阶加权WENO限制器能够高精度模拟流场并捕捉激波，同时一定程度抑制通量重构方法本身在激波附近的数值伪振荡；p阶加权WENO限制器与多精度WENO限制器相比，其稳态收敛性相对更好；简单WENO限制器则性能较差。根据以上研究，提出亟须发展能够使高阶WENO限制器在稳态问题中收敛的间断探测器。     

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。     

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.     

双曲守恒型方程的二阶摄动有限差分格式

对双曲守恒型方程，将其一阶迎风格式空间差商的常系数摄动展开为时间步长和空间步长的幂级数，通过确定幂级数系数而获得二阶精度的摄动有限差分(PFD)格式。进而从双曲守恒型方程的通量分裂型一阶迎风格式出发，通过类似的摄动展开方法，获得空间精度为二阶的通量分裂形式的摄动有限差分(FPFD)格式。这两类格式保留了一阶守恒迎风格式的简洁结构形式，使用三节点即可达到二阶精度，又避免了三点二阶格式的非物理数值振荡。并将这两类格式推广应用到双曲守恒型方程组，最后通过模型方程和一维激波管流动的数值算例验证了格式的高精度、高分辨率性质。     

NND格式的推广及在粘流计算中的应用

本文把ＮＮＤ格式推广到了特征变量，守恒变量和原始变量形式。通过引入通量差分分裂方法，由守恒变量形式的ＮＮＤ格式得到了Ｒｏｅ的近拟Ｒｉｅｍａｎｎ解法，并讨论了限制器的作用。在隐式ＮＮＤ格式中引入了一种分解算法，提高了计算效率。本文的数值计算表明，ＮＮＤ格式对复杂波系干扰，边界层分离与再附等流动现象均有较高的分辨率。     

求解双曲守恒律方程的自适应人工黏性熵稳定格式

采用熵守恒格式求解双曲守恒律方程不满足熵稳定条件.为了达到熵稳定,需要在熵守恒格式的基础上增加黏性机制,使总熵耗散.鉴于自适应人工黏性在不同的计算区域上其黏性大小的变化特点,在熵守恒通量的基础上添加经过修正的自适应人工黏性通量构造出一种新的结构简单的熵稳定格式.根据自适应人工黏性的自适应性,并经过简单调节黏性比例系数C之后,该格式可以在不使用限制器的情况下达到整体的高分辨率,表现出:在间断区域有足够的数值耗散保证稳定;在光滑区域,黏性很小,不会影响格式在此的高精度.最后的几个数值算例以熵稳定ERoe格式和高分辨率熵稳定EYee格式的数值结果作为参照,分析说明这种格式的特性.     

新的解跨音速Euler方程的隐式杂交方法

 本文提出一个新的杂交格式,它由Jameson-Turkel LU分解法和Harten TVD（total variation diminishing）格式的修正数值通量耦合而成。LU分解用于Euler方程隐式部分的离散化而Harten的数值通量控制所谓的稳态解残差。精心构造LU算子,可使矩阵算子L和U很容易逐点推进求逆;以Harten的数值通量计算杂交格式右边的通量,这样做在a=1/2的条件下,可保证收敛的稳态解具有二阶精度并能高分辨率地捕获激波。数值实验表明,本文格式对于稳态计算是有生命力的并能保证较高的激波分辨率。     

A low-diffusion robust flux splitting scheme towards wide-ranging Mach number flows

This paper develops a low-diffusion robust flux splitting scheme termed TVAP to achieve the simulation of wide-ranging Mach number flows. Based on Toro-Vázquez splitting approach, the new scheme splits inviscid flux into convective system and pressure system. This method introduces Mach number splitting function and numerical sound speed to evaluate advection system. Meanwhile, pressure diffusion term, pressure momentum flux, interface pressure and interface velocity are constructed to measure pressure system. Then, typical test problems are utilized to systematically assess the robustness and accuracy of the resulting scheme. Matrix stability analysis and a series of numerical cases, such as double shear-layer problem and hypersonic viscous flow over blunt cone, demonstrate that TVAP scheme achieves excellent low diffusion, shock stability, contact discontinuity and low-speed resolution, and is potentially a good candidate for wide-ranging Mach number flows.     

航空发动机整机准三维流场仿真

分析了航空发动机各部件内部流动的S₂流面数学模型,进行了整机流场仿真计算.求解过程采用具有TVD性质的高阶Godunov格式,具有良好的数值稳定性和激波捕获能力.考虑了粘性效应以及二次流损失对于部件及整机性能的影响.对于部件间及叶排间的参数传递,采用了一种完全守恒的处理方法,保证了数值通量的连续性.仿真结果与试验数据的对比证明该方法具有较高的精度.      

面向稀薄流非线性本构预测的机器学习方法

稀薄非平衡流域内连续介质假设已经失效,主要围绕Boltzmann方程及模型方程对稀薄非平衡流开展理论与计算研究,统一气体动理论格式（UGKS）是其中一种代表性方法。在稀薄非平衡流数值模拟中,Navier-Stokes （N-S）方程连续介质假设已经失效,不能有效描述流场非平衡特征。UGKS方法虽然计算精度高,但速度空间离散导致计算效率低下,多维高速条件下数值计算难以开展。基于数据驱动的思想,在N-S方程与UGKS方法的研究基础上发展出了一种稀薄非平衡流非线性本构关系求解方法（DNCR）。该方法以N-S与UGKS求解器获得的流场数值模拟计算结果作为训练数据集,基于流场特征参数采用极端随机树算法生成机器学习模型,对预测流场中线性黏性应力项与热流项进行非线性修正,并耦合非线性本构关系求解宏观守恒方程得到目标状态稀薄非平衡流动数值解。针对DNCR方法中所采用的机器学习方法-极端随机树模型,通过二维顶盖驱动方腔流算例对高维非线性建模涉及的特征参数选取、参数调优开展了相关验证工作,选取若干典型状态对极端随机树模型的泛化性能开展研究,并评估了相关模型与方法的计算精度与计算效率。     

复杂外形下的无网格算法研究

研究了二维、三维复杂外形下的无网格算法。在一种布置点云方法的基础上,发展一种曲面拟合的重构方式构造流场物理量,并应用于AUSM+_up格式计算欧拉方程的数值通量;计算采用了隐式时间推进,并引入当地时间步长和残值光顺等加速收敛措施。通过对某三段翼型低速流动、M6机翼跨音速流动、某全机跨音速流动进行了数值模拟,表明本文发展的无网格算法能有效地模拟复杂外形的无粘绕流。     

细长杆降低超声速客机气动噪声的数值分析

在超声速客机机头加装适当的细长杆可以降低飞行噪声。本文借助基于AUSM+格式的准三维数值模拟手段对7组13种细长杆方案做了分析比较,总结出了近场气体参数与远场气体参数之间的关系的规律。文章还从气体动力学理论和激波理论出发,对数值模拟结果作了解释,并揭示了细长杆降噪效果与细长杆外形的内在联系,以及近场、远场两者关系的经验公式。文章从各种方案中选取了降噪效果较好的细长杆方案做三维流场分析,并通过流固耦合计算对其结构强度做了校核,验证了方案的可行性。     

激波／边界层干扰数值模拟的格式效应

用不同的数值格式,包括Ｒｏｅ的ＦＤＳ格式和ｖａｎＬｅｅｒ的ＦＶＳ格式并配备不同限制器,求解二维Ｎ－Ｓ方程,模拟研究了激波／边界层干扰的流动问题,分析了模拟出的流动现象,仔细研究了其中的格式效应,得出同前人不尽一致的结论：ｖａｎＬｅｅｒ格式对限制器的依赖性比Ｒｏｅ格式更强;在本文情况下,ｍｉｎｍｏｄｌｉｍｉｔｅｒ的激波、膨胀波的分辨率比ａｌｂａｄａｌｉｍｉｔｅｒ还好     

一种求解Euler方程的简化气体动理学模型

基于一种简化的平衡分布函数,提出一种新的动理学通量矢量分裂（KineticFluxVectorSplitting,KFVS）格式来求解Euler方程。算例证实,新的KFVS格式继承了原始KFVS格式中捕捉激波准确、无数值震荡的优点。与原始的KFVS格式相比,由于简化的平衡分布函数与Maxwellian平衡分布函数相比复杂程度大大降低,计算中不需要再计算误差函数,新的KFVS格式的计算效率得到了很大提高。在同样的计算精度下,新KFVS格式比原始KFVS格式计算效率提高了一倍以上,显示了新格式具有良好的数值模拟性能。     

不同壁温及差分格式下超燃冲压发动机的仿真

针对圆截面超燃冲压发动机相关实验进行数值仿真,采用了不同的壁面温度条件和差分格式,并探究其对仿真结果的影响规律。结果表明采用常用的绝热壁面边界条件会导致激波边界层交互位置处的回流区变大,进而导致流道收缩,壁面压力升高。采用高精度格式不仅不能更为精确地计算回流区的大小,反而会使回流区面积变得更大。通过改变壁面边界条件,采用300 K的等温壁面,可以使激波边界层交互位置处的回流区变得极小,使仿真结果与实验结果十分吻合。计算结果表明,针对当前构型与实验条件,盲目提高数值格式的精度并不一定会得到更好的结果,相反可能会使仿真与实验更加偏离,而适当修改壁面温度条件,即使数值格式精度较低,仍然可以得到很好的仿真结果。最后,针对与实验结果吻合的仿真结果,分析了圆截面超燃冲压发动机的流场特性,重点研究了凹腔剪切层及其质量交换特性。