自适应笛卡尔网格超声速黏性流动数值模拟

复杂外形/流场的高质量网格的生成往往需要占用大量人力资源,而自适应笛卡尔网格方法能够自动化生成高质量网格,具有很好的工程实用价值和应用前景。基于笛卡尔网格方法,采用叉树数据结构进行数据的存储和访问,分别从几何特征和流场解特征出发进行网格的自适应加密和粗化,发展了一种二维情况下自动、高效的自适应笛卡尔网格生成方法。从浸入边界方法出发,结合虚拟镜像对称方法和曲率修正技术进行黏性物面边界条件的处理,同时建立了多值点问题的处理技术,发展了一种在笛卡尔网格下可有效模拟黏性物面边界条件的方法。针对自适应笛卡尔网格非均匀的特点,发展了悬挂网格的处理方法,并构建了适用于自适应笛卡尔网格的黏性数值求解器。通过典型算例的考核,验证了所发展的自适应笛卡尔网格生成技术和构建的数值求解器具有较高的精度和可靠性。     

预处理方法在混合笛卡尔网格中的应用研究

使用基于混合笛卡尔网格的预处理方法,对低马赫数下的定常/非定常流动问题进行了数值模拟研究。网格生成中,在物面附近生成贴体结构网格,其余计算区域使用笛卡尔网格进行填充,两套网格之间通过查找"贡献单元"实现流场数据间的传递。同时,使用基于密度的预处理方法,发展了一套可求解从低速(极低马赫数)到常规马赫数的N-S方程求解器,时间离散使用隐式双时间步LU-SGS格式,空间离散使用具有二阶精度的格心格式有限体积方法。非定常流动问题的数值模拟过程中,使用逆距离插值来进行新现网格单元上流场参数确定。通过对NACA0012翼型在低马赫数下的定常绕流和动态失速问题的数值模拟研究表明:使用预处理方法能够加快低马赫数下数值计算的收敛速度和提高计算的准确性,基于混合笛卡尔网格的N-S方程求解器能够模拟包含运动边界的低速不可压非定常流动问题。耦合预处理技术的混合笛卡尔网格方法给包含低速和常规马赫数的复杂运动边界问题的求解提供了新的思路。     

三维非结构混合网格生成与N-S方程求解

 提出了一套较为通用的, 完全自动化的非结构混合网格生成方法, 在物面粘性作用区, 运用一种改进的推进层方法生成三棱柱形和金字塔形网格; 在其他流动区域采用阵面推进方法生成四面体网格。采用一种改进精度的格心有限体积法和Spalart-Allmaras 一方程湍流模型对三维N-S 方程进行了求解, 并以M6 机翼、DLR-F4 翼身组合体和某运输机外形的粘性流场作为数值算例, 验证了上述网格生成和流场求解方法的正确性和实用性。     

一种适合于旋翼涡流场计算的非结构自适应嵌套网格方法

针对旋翼涡流场的特点,提出了一种新的非结构自适应运动嵌套网格方法。在该运动嵌套网格方法中,贴体网格采用非结构网格,背景网格使用可自适应的笛卡尔网格,以便发挥非结构网格的形状描述能力和笛卡尔网格的空间自适应优势,方便网格生成过程并提高计算精度,同时克服在物体表面附近自适应笛卡尔网格生成工作量大和过程烦琐的不足。在此基础上,使用求解N-S主控方程的方法,分别对旋翼的悬停和前飞流场进行了数值模拟,计算结果表明本文的非结构自适应运动嵌套网格方法对提高旋翼涡流场的细节捕捉能力和计算精度是很有效的。     

国家数值风洞(NNW)工程中的黏性自适应笛卡尔网格方法研究进展

相比传统的结构和非结构网格,笛卡尔网格具有自动化和高质量兼顾的优势,是未来网格技术发展的重要方向。面向笛卡尔网格生成软件开发需求,依托国家数值风洞（NNW）工程,介绍了黏性自适应笛卡尔网格技术相关课题的研究工作进展,重点从网格生成技术、自适应方法、黏性物面边界处理方法等方面展开。网格生成技术方面,基于全线程树数据结构的思想,开展了叉树数据结构的优化;针对物面离散单元信息的快速检索,构建了稳定、平衡、高效的叉树式物面网格数据结构;对于网格单元类型的判断,发展了染色方法和包围盒方法以提高效率;针对大规模网格量,发展了高性能并行计算技术。自适应技术方面,发展了基于几何特征和流场解特征的自适应方法,建立了流场结构捕捉判据,并开展了三维复杂构型的应用;为了降低全局网格规模,发展了各向异性自适应方法,构建了各向异性特征识别的综合判据;发展了边界层法向射线加密技术,以减少边界层内的网格数目。物面边界处理方面,发展了重叠笛卡尔网格方法,构建了重叠网格尺度匹配技术和数据交互方法;开展了壁面函数方法在笛卡尔网格框架下的适应性应用,以放宽壁面网格尺度限制、降低边界层网格规模,并通过典型算例验证了方法的可靠性。     

基于Euler方程的三维自适应笛卡尔网格应用研究

本文采用非结构自适应笛卡尔网格和有限体积法求解了三维Euler方程。在网格生成过程中，采用了基于模型几何数据、模型表面曲率和流场特征为基础的网格自适应生成及加密方法，采用模型特征恢复技术保证了计算模型与原始外形的一致。在计算中，将以中心差分为基础的Jameson有限体积法在三维笛卡尔网格中进行了推广。本文中对导弹、歼击机等复杂问题进行了数值实验，计算结果与风洞实验结果符合良好，并在工程实际中成功应用。     

基于混合笛卡尔网格方法的扑动翼型数值模拟

针对单体扑动翼型与前扑动/后静止串联布置的双翼型发展了适用于运动边界问题的非定常混合笛卡尔网格方法,并进行了数值模拟研究.在物面附近使用贴体结构网格,外部使用自适应笛卡尔网格来填充,使用最近“贡献单元”方法来实现两套网格之间的信息传递.发展了一套非定常可压缩求解器,使用格心格式2阶精度的有限体积方法实现空间离散,使用隐式LU-SGS双时间步方法实现时间离散.物面边界运动过程中,在贴体网格外边界进行笛卡尔网格的动态几何自适应,使用逆距离插值方法进行新鲜网格单元参数的确定.对扑动翼型的研究重点关注了推力系数与推进效率:除却很小的扑动幅值与减缩频率的工况,在单体扑动翼型后部一倍弦长处放置一个静止翼型能够增大推力系数;但推进效率的改变较为复杂,与扑动的幅值以及减缩频率相关.     

可压缩粘性流动笛卡尔网格虚拟单元方法研究

以二维高雷诺数可压缩粘性流动问题为背景,提出了一种全新的笛卡尔网格虚拟单元方法。基于壁面函数基本假设,构造了壁面函数-虚拟单元方法(WF-GCM),用于定义湍流壁面边界条件。引入参考点的概念计算虚拟单元上的基本变量与湍流变量值,定义了"非贴体"笛卡尔网格下的湍流壁面边界条件,并通过壁面函数模型修正近壁面单元与界面单元。基于自适应笛卡尔网格体系,采用发展的具有二阶精度的格心格式有限体积求解器,数值模拟了跨音速RAE2822翼型绕流问题与超音速圆柱绕流问题,计算结果与实验值吻合良好,显示了WF-GCM对高雷诺数可压缩粘性问题是有效的。     

三维非结构贴体直角网格的N-S方程数值模拟

基于八叉树数据结构,采用直接分层光顺的方法,解决了非结构直角网格在物面不正交贴体的难点,发展了任意复杂外形的三维非结构贴体直角网格,并且可以根据流场特征进行自适应处理。在此基础上采用最小二乘法对N-S方程进行了MUSCL有限体积法的非结构网格的粘性求解,提出了带约束边界条件的最小二乘法的处理办法。计算表明,三维非结构贴体直角网格的粘性求解,可以适应各种高超声速的复杂外形,计算结果与试验吻合较好。     

非均匀笛卡尔坐标系网格优化频散相关保持格式研究

为克服传统频散相关保持格式 (即 DRP格式 )在数值求解非均匀网格问题时由于寄生波的产生而导致的数值不稳定的问题 ,Cheong &Lee提出了一种网格优化频散相关保持格式 (即 GODRP格式 )。根据其优化思想 ,在非均匀笛卡尔坐标系网格条件下 ,推导得到了更为通用的 GODRP格式优化系数公式。针对 Cheong&Lee文中算例比较不是在同一基准上进行的不足之处 ,设计了一个极端恶劣条件下的非均匀笛卡尔网格 ,采用 GODRP格式和 DRP格式分别求解了二维初始扰动波传播的算例。计算结果表明 ,由于 GODRP格式具有与网格相关的自带粘性 ,不用再另外加入人工粘性便可获得精度较高的数值结果 ,避免了传统 DRP格式在给定粘性时人为经验的影响因素。对于非均匀笛卡尔网格 ,GODRP格式确实比传统 DRP格式更加通用 ,并可以得到更为准确的数值模拟效果      

基于四叉树网格下的浸入边界-格子Boltzmann方法

提出了一种基于非均匀四叉树网格下的浸入边界-格子Boltzmann方法.在不同层网格界面上,为了保证物理量的连续性,需要在时空方向上进行插值.由于四叉树同层网格在空间上步长相等、且相邻时间层上时间步长相等,所以在时空方向上采用平均值插值,这样做的优点是时空方向插值既可以达到二阶精度,又可以简化计算过程,节省资源,对任意边界加密下的网格,格子Boltzmann方法的实现比较容易.为了充分利用均匀笛卡尔网格的优势,物面边界的处理采用了速度修正法,与传统浸入边界-格子Boltzmann方法中的直接力法、动量交换法相比,无滑移边界条件得到了较好的保证.同时,把大涡模型加入到浸入边界-格子Boltzmann方法中,实现了在四叉树网格数据结构、边界处理技术、大涡模拟几种模型相结合下,绕障碍物的较大雷诺数流动的模拟.通过不可压缩粘性流中圆柱绕流算例验证,结果与其它方法结果吻合良好.     

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.     

基于全线程树数据结构的笛卡尔网格高效生成技术

笛卡尔网格方法具有易于自适应、自动化程度高、网格质量好等优势。由于其非贴体特性,在处理复杂构型或者复杂流动问题时候往往存在网格量过大的问题,不容忽视。笛卡尔网格生成的效率直接影响了整个计算周期的长短,有必要发展高效的生成技术。对于笛卡尔网格而言,决定网格生成效率的关键在于网格数据结构,其直接影响计算量和存储量。针对三维构型进行笛卡尔网格生成,发展了邻居查询更快捷、内存利用率更高的全线程树数据结构,并在本文的方法框架下进行了适应性应用和改进。同时,为了高效地判断网格单元类型,构建了物面单元的快速检索方式,并引入了染色方法,进一步提高网格生成效率。还提出了一种鲁棒的奇异性检测算法,保证网格单元类型判断的鲁棒性。在流场解自适应方面,采用的是速度散度和旋度相结合的三维判据,以保证对于多种流动特征的捕捉能力。通过圆球、导弹、翼身组合体、机翼-副翼等算例进行了考核验证,经对比,网格自适应位置与理论解吻合较好,且网格单元生成耗时短、平均耗时受物面网格分布影响小,证明了方法的可靠和高效性。     

三维舵面绕流的N-S方程计算研究

基于粘性非结构混合网格,采用格心格式的有限体积法,应用Spalart-Allmaras湍流模型进行绕三维舵面流动的N-S方程数值模拟。操纵面铰链力矩的计算结果与风洞试验结果的对比分析表明,计算方法对粘性流动具有良好的适应性。对舵面铰链力矩随迎角、马赫数、雷诺数变化的规律也进行了分析研究。     

基于笛卡尔网格的非定常气动力计算

在非结构自适应笛卡尔网格基础上构建了一种基于笛卡尔动网格的非定常气动力计算方法。为了适应非定常流场对网格品质要求较高的特点,网格生成采用了基于几何外形、模型表面曲率为基础的自适应生成及加密方法。采用显格式龙格库塔推进方法和中心格式空间离散的有限体积法对NACA0012翼型,三维机翼的跨音速刚性振动进行了数值模拟。对伪时间收敛精度控制,真实时间步长对结果的影响进行了讨论。将计算结果与试验数据进行了比较,得到了良好的效果。     

笛卡尔网格在气动设计中的应用研究

采用非贴体笛卡尔网格及有限体积法求解Euler方程的方法对两个模型的气动特性进行了计算,并考虑粘性项对阻力结果进行了修正,将修正后的计算结果与风洞试验值进行对比分析,结果表明:修正后的CFD计算值与风洞试验值吻合较好,验证了在气动设计中笛卡尔网格方法具有计算精度高、求解速度快的特点,适用于气动方案初步设计阶段的实际工程应用。     

基于混合笛卡尔网格的翼型绕流数值模拟

在对重叠网格技术研究的基础上,一套以笛卡尔网格为主体、贴体的结构网格为特殊固壁边界的混合笛卡尔网格(Hybrid Cartesian Grid,HCG)生成方法得到了发展,同时基于流场特征的笛卡尔网格自适应技术和有限体积方法的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)的数值求解方法也得到了开发。通过对经典跨音速RAE2822翼型、双NACA0012翼型和高升力两段NLR-7301翼型进行绕流数值模拟,获得了较好的结果,验证了方法的可行性与精确性,为研究二维复杂外形流动问题提供了一种解决方法。     

一种新的边界处理方法在笛卡尔网格中的应用

采用自适应笛卡尔网格方法求解Euler方程,固壁边界条件通过一种离散强迫浸入边界方法引入,边界切割网格与流场网格保持一致,从而有效解决了小切割网格单元的时间步长限制问题.针对自适应笛卡尔网格的特点提出了新的虚拟点反射方法和插值方法,解决了数值吸力峰值问题.对RAE2822翼型、双NACA0012翼型和Suddhoo三元翼型的流动状况进行了无黏数值模拟,并与现有的理论解、单域以及分区结构网格解进行了对比.结果表明:该离散强迫浸入边界方法有效地引进了固壁边界条件,结合自适应笛卡尔网格技术能够准确模拟复杂几何外形下的流动状况.      

基于粘性非结构网格的三维增升装置N-S方程数值模拟

应用基于粘性非结构网格求解N—S方程方法数值模拟了某型飞机三维增升装置的绕流。在物面附近粘性主导作用区域内，采用三棱柱型非结构网格，在其他流场区域，采用传统四面体非结构网格的混合非结构网格生成技术。湍流模型采用Spalart—Allmaras一方程模型，运用格心格式有限体积法，对控制方程和湍流模型方程进行数值离散。用四步龙格-库塔方法作显式时间推进，采用当地时间步长、隐式残值光顺等加速收敛措施．求解某型飞机全机带增升装置构型的粘性绕流流场，其数值计算与风洞试验结果显示了良好的吻合度。     

基于STL文件的笛卡尔网格生成方法研究

采用从STL文件中直接获取模型几何数据的方法,利用ADT数据结构快速剔除相同顶点,提出一种新的“推进查找”方法替代以往网格单元是否在物面内部的判定方法,避免了对物面的自封闭要求,无需进行几何重构,直接完成网格生成,更进一步提高了自适应笛卡尔网格生成速度和自动化程度,为实现CAD与CFD的之间的数据对接提供了一种新的方式。