利用紧致格式捕捉间断的数值方法研究

将通量限制或加权的思想引入到紧致格式中,构造了两类传统方法与紧致格式混合组成的差分格式:通量限制与加权型差分格式。通过方波、组合波、定常激波、非定常Sod问题、Shu问题和Lax问题上的计算,以及与精确解的比较,结果表明这两种方法在间断的捕捉上具有高精度、高分辨率,而在计算方波、组合波或Shu问题和Lax问题上,加权格式具有更大的优势。     

捕捉间断的高精度数值方法

为发展适用于捕捉超声速流场中各种间断的高精度算法,将通量限制的思想引入到紧致格式中,构造了一个传统方法与紧致格式混合组成的通量限制型差分格式.通过在时间方向上利用一阶精度格式计算的一维定常激波,以及在时间方向采用多步Runge-Kutta方法计算的一维非定常激波管问题上的数值试验与二阶精度的TVD格式所计算的结果比较,表明新方法比二阶精度方法在间断的捕捉上具有明显的优势.通过新方法的计算结果与精确解的比较,表明新方法的准度也是非常令人满意的.     

用于气动声学计算的非均匀网格紧致差分格式

为克服传统紧致差分格式在数值求解非均匀网格问题时产生的寄生波,构造了一种新的高精度紧致差分格式.通过泰勒展开分析方法,详细给出了格式系数的通用形式;利用傅里叶分析方法,分析了数值耗散、色散误差.以3对角6阶精度紧致差分格式求解均匀扰动网格问题为例,计算表明:色散值和耗散值随扰动因子的增加而更加趋近于精确值;当扰动因子大于0.213时,格式不稳定,当扰动因子小于等于0.213时,格式渐近稳定;对一维对流波和二维波传播的模拟计算所得数值解与精确解吻合,体现了该格式在求解非均匀网格问题时的优越性.      

适用于超声速流场计算的有限体积紧致算法

结合紧致格式与有限体积法两者的优点,提出了一种基于有限体积的紧致算法.采用特征处理的通量限制方法抑制紧致格式在间断附近的非物理振荡,将该算法应用于航天领域超声速流场的数值模拟.通过计算典型算例,并与其他格式计算结果进行对比,证明了该算法能够无振荡捕捉各种间断,且对波系结构的刻画最为锐利,并能够精细分辨小尺度流场结构,计算结果与精确解最为接近.      

一种改进的紧致WENO混合格式

给出了一种用于激波捕捉计算的守恒型混合紧致WENO格式.混合格式可视为五阶WENO格式和五阶守恒紧致格式的加权平均.在格式构造中,本文采用了间断分辨率更好的WENO权因子计算方法以及新的子格式权因子计算方法.对于Euler方程,仅对混合格式中WENO格式部分做特征投影处理,不仅获得了特征型WENO格式良好的间断分辨率,同时又保证了计算效率.数值实验验证了本文混合格式的高时间效率和高流场分辨率.     

适用于超声速的一种通量限制型紧致格式

紧致格式因其结构简单、在相同的网格点上能达到比非紧致格式更高的精度以及与谱方法相近的分辨率等优点,日益受到人们的重视。用紧致格式模拟超声速流场的主要问题之一是如何保证高阶紧致格式能光滑地捕捉到流场的各种间断。本文借鉴NND格式的思想,构造出一种总体上具有三阶精度的通量限制型紧致(LFC)格式,并成功地应用于含有激波、滑移面等复杂流动现象的数值模拟。计算结果表明这种格式不仅具有较高的精度和分辨率,而且还保证了在间断附近基本无虚假波动。     

双时间步长加权ENO-强紧致高分辨率格式及在叶轮机械非定常流动中的应用

在非结构网格下,针对非定常三维N-S方程组发展了一种双时间步长高精度快速迭代格式。该格式在时间上具有二阶精度,在空间上将r=3的加权ENO格式与强紧致格式相结合去处理N-S方程中的对流项以及离散方程的右端项,并用四阶精度的紧致格式去计算N-S方程中的粘性项。典型的3个算例从不同侧面对格式进行了考核。计算表明:该算法具有高效率与高分辨率的特征,所得的计算结果与相关实验数据比较吻合,初步表明了该算法可以在非结构网格下模拟非定常流动的物理过程。      

双重加权实质无波动激波捕捉格式的改进和应用

本文重新研究了双重加权实质无波动(DWENO)激波捕捉格式的构造过程，对模板光滑系数的定义，以及两重权值的计算方法进行了改进，并通过一维Riemann问题测试了这些改进，确定了参数的选择范围。最后，本文将改进后的DWENO(r=3)格式进一步应用于一维、二维典型问题的数值模拟，并比较了DWENO格式和WENO格式的精度和分辨率。     

高阶精度非线性格式WCNS-E-5在二维流动中的应用研究

本文采用具有5阶精度的加权紧致非线性显式格式(WCNS-E-5)对定常与非定常二维流动进行数值模拟,研究表明该格式对各类间断有很好的分辨捕捉能力,而且对强间断如激波的计算,即使在高马赫数与高雷诺数条件下它仍具有很好的收敛性与可靠的计算结果.此外,WCNS-E-5在粗网格条件下也体现出优越性.类如WCNS-E-5的高精度激波捕捉方法将为以后开展湍流数值模拟工作提供坚实的技术保证.     

高阶精度格式WCNS-E-5在亚跨声速流动中的应用研究

采用高阶精度非线性紧致加权格式WCNS-E-5和Baldwin-Lomax模型,求解雷诺平均Navier-Stokes方程,开展了典型翼型与机翼的湍流流动数值模拟研究.对方程中粘性项采用的四阶精度差分近似以及网格导数求解与边界格式的四阶精度,保证了高精度算法的实现.计算结果表明:本文算法能够准确地模拟这些翼型与机翼的亚跨声速流场,得到与实验测量十分吻合的壁面压力分布,计算结果对网格的依赖性小.     

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.     

A Class of TVD Type Combined Numerical Scheme for MHD Equations With a Survey About Numerical Methods in Solar Wind Simulations

It has been believed that three-dimensional, numerical, magnetohydrodynamic (MHD) modelling must play a crucial role in a seamless forecasting system. This system refers to space weather originating on the sun; propagation of disturbances through the solar wind and interplanetary magnetic field (IMF), and thence, transmission into the magnetosphere, ionosphere, and thermosphere. This role comes as no surprise to numerical modelers that participate in the numerical modelling of atmospheric environments as well as the meteorological conditions at Earth. Space scientists have paid great attention to operational numerical space weather prediction models. To this purpose practical progress has been made in the past years. Here first is reviewed the progress of the numerical methods in solar wind modelling. Then, based on our discussion, a new numerical scheme of total variation diminishing (TVD) type for magnetohydrodynamic equations in spherical coordinates is proposed by taking into account convergence, stability and resolution. This new MHD model is established by solving the fluid equations of MHD system with a modified Lax-Friedrichs scheme and the magnetic induction equations with MacCormack II scheme for the purpose of developing a combined scheme of quick convergence as well as of TVD property. To verify the validation of the scheme, the propagation of one-dimensional MHD fast and slow shock problem is discussed with the numerical results conforming to the existing results obtained by the piece-wise parabolic method (PPM). Finally, some conclusions are made. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

高速粘性内流的高分辨率高精度迎风型杂交格式

本文在有限体积离散和ＬＵ分解的基础上，构造出一个新的隐式迎风型杂交格式，并用于求解定常流动的稳态解。     

应用TVD格式分离求解不可压N-S流动

提出一种新的将连续方程与动量方程分离求解的TVD引用方法。对动量方程中的对流项采用三阶精度、迎风TVD格式离散, 粘性项和压力项采用中心差分格式离散。压力采用压力替代法求解。计算所用的网格是具有交错网格主要特点的修正非交错网格, 并采用一种压力修正法和G-S中心对称迭代法加速收敛。给出了二维管流和二维空穴流动在不同状态下的计算结果, 并与其它解法的计算结果或精确解进行比较。结果表明, TVD格式不仅能用于不可压流数值计算, 而且还能得到比非TVD差分法精度更高的结果。      

TVD格式计算一维Euler方程间断解存在的几个理论问题

本文讨论了TVD格式按本文第二节A段意义推广到拟线性方程组的几个理论问题。指出:1.对于Riemann间断分解,Euler方程的解和Riemann不变量都没有TVD性质,因此不能将TVD格式自然推广;2.TVD格式是提高分辨率的一种途径,它不能保证得到物理解,能得到物理解的TVD格式一定是耗散守恒格式,因此将TVD格式推广时,必须保证格式是耗散的,否则仍会得到非物理解。并给出了一阶迎风格式,TVD2,UNO2得到的若干非物理解算例;3.非物理解现象只是发生在具有剧烈膨胀的单波区的计算上,而某些TVD格式若会得到非物理解,则一定发生在特征值变号的单波区的计算上。     

二维折角管道内超声速流动的多重网格计算

本文应用Euler模型和隐式TVD格式计算了二维折角管道内的超声速流动问题,为了有效地模拟激波和膨胀波系的相互干扰及壁面的反射,本文试将多重网格法和TVD格式结合起来进行数值求解。考虑到目前绝大部分文章采用V-循环多重网格法,我们对多重网格法中的几种多层次循环形式(V-循环、W-循环)进行了比较性的数值计算,旨在从中发现合适的多层次循环求解的形式,以期充分发挥多重网格法在Euler方程求解过程中的效益。同时,本文也是对多重网格法和TVD格式结合求解的一次初步尝试。     

NND格式在多维理想磁流体方程组中的应用

采用修正的四步Runge-Kutta方法求解三维一般曲线坐标系下的理想磁流体方程组,为克服数值振荡,加特征型NND格式进行后处理.特征型NND格式推广到求解三维磁流体(MHD)问题需要知道雅可比通量的左右特征矩阵,在具体计算时需要克服矩阵的奇性.本文用三维程序采用推广的特征NND格式计算了一维MHD激波管和二维(MHD)喷管流动,计算结果表明,特征NND格式保持了TVD格式高精度的优点,又具有计算简单的特点,在包括强弱间断等复杂波系的定常和非定常MHD流场数值模拟中是成功的.