非结构网格高超声速化学非平衡MHD流场数值模拟

 在非结构网格上对考虑化学非平衡效应的二维高超声速磁流体绕钝头体流动进行了数值模拟。控制方程由二维理想磁流体动力学（MHD）方程和组元连续方程两部分组成,化学动力学模型为5组元17反应模型。MHD方程空间离散采用AUSM格式,时间推进采用显式5步龙格-库塔格式,并通过弱耦合的方式与化学反应控制方程结合在一起。计算模型为二维钝头体,外加磁场为偶极子场,磁场源位于钝头体内部。在高超声速来流条件下,对有、无磁场干扰,是否考虑化学反应下的4种工况进行了数值计算,得到了满意的结果,并与有限的参考文献进行了对比。结果表明本文发展的方法能准确地模拟考虑化学非平衡效应的高超声速MHD流场。     

基于HLLC格式的理想MHD方程数值模拟

针对理想MHD(magnetohydrodynamics)方程数值求解困难的问题,基于原始的HLLC (Harten-Lax-Van Leer Contact wave)近似黎曼解方法,发展出一种新的适用于理想MHD问题的通量计算格式。控制方程采用有限体积法离散,时间推进采用隐式的LU-SGS（lower-upper symmetric Gauss-Seidel）格式,并且采用双曲型散度清除技术来抑制磁场散度的累积。通过一维激波管问题的数值模拟表明,HLLC-MHD格式能准确的分辨并捕捉复杂的磁流体力学波系结构,保证数值计算的精度,最大的数值计算误差不超过10%;通过二维的Rotor问题的数值模拟研究表明,HLLC-MHD格式能够应用于多维理想MHD问题的数值模拟,并且能够准确捕捉多维情况下磁流场中的阿尔文波;通过对比有、无散度清除的Rotor问题计算结果表明,双曲型散度清除技术可以将磁场散度峰值从50降低到2,有效抑制高磁场散度区域的散度累积,同时也会将误差传播到低散度区域,并且引起边界处散度的累积,影响计算的稳定性。      

三维磁流体动力学管道流动加减速控制数值研究

阐述了磁流体动力学(MHD)控制流场作用机理.在小磁雷诺数条件下,运用数值模拟方法,对不同外加电磁场条件下三维MHD管道流动的流场情况进行研究,得出不同磁场、电场等MHD参数作用下MHD加速器的性能.对MHD加速器的应用前景进行了展望.计算结果显示,电场取6000V/m,磁场为0.92T 情况下,流场的加速性能可达13.46%,并且可以通过减小磁场或增大电场进一步提高加速性能;在仅添加0.92T磁场条件下,速度减速可达16.35%.     

二元混压超声速进气道三维流动数值分析

按照MacCormack时间分裂方法，应用NND格式、对流迎风矢通量分裂（AUSM）技术和Baldwin-Lomax混合长度代数湍流模型，对贴体坐标下三维雷诺平均N－S方程进行有限差分离散。数值计算了均匀来流和非均匀来流条件下二元混压超声速进气道三维湍流流动态，分析了该进气道主要性能参数随出口反压、来流马赫数、导弹工作高度及飞行攻角的变化特性，为深入研究进气道性能提供了一定辅助手段。     

电弧喷射推力器流动区域电磁场数值解法

为了有效地进行电弧喷射推力器流动区域全场(流场、电场、磁场和化学反应)耦合数值模拟并揭示其电磁场特征，建立了适当的电磁场模型，对电磁场控制方程的数值解法进行了详细研究。模型基于推力器稳态工作特征，控制方程由麦克斯韦方程组简化得到，采用有限控制容积积分方法离散椭圆型控制方程，采用9种不同的迭代方法求解离散方程。给出了不同迭代方法的收敛速度、数值稳定性和最终精度。研究表明，Gauss—Seidel逐线超松弛迭代法是推力器流动区域电磁场离散方程的一种快速有效的数值解法。     

固体火箭发动机一维非定常两相喷管流场计算

本文采用MacCormack预校二步差分格式对一维非定常两相流动喷管进行了数值求解,得到了固体火箭发动机压力建立过程中气相和凝相颗粒参数的变化规律.     

混合解析/数值方法及其在湍流数值模拟上的应用

针对带小时间尺度的源项的方程描述的流动问题,提出了混合解析/数值方法。混合解析/数值方法的基本思想是:分裂原始方程组为对流-扩散部分的偏微分方程和源项的常微分方程。偏微分方程采用合适的数值方法求解,而常微分方程采用解析方式积分。模型方程的理论误差研究表明,混合方法提高了源项处理的精度,降低了混合方法的整体数值误差。分析同时表明,基于时间分裂的算法在求解含源项双曲系统的定常类型问题,会存在数值振荡。为此发展了非分裂方式的混合解析/数值方法,在湍流模型数值计算中提高了数值稳定性,而且加快了计算的收敛速度。     

绕弯曲头锥超音速流动差分法数值计算

本文给出了绕弯曲头锥理想气体超音速流动差分数值计算方法。这是一个三维绕流问题,由于弯曲头锥的外形特点,头锥部分的数值计算采用了计算轴移动法。数值计算采用MacCormack二阶精度二步格式,物面上用一组由特征相容条件导得的方程。本方法已经用BCY算法语言编制成计算程序,在109丙电子计算机上进行运算。本文最后给出计算实例。     

振荡叶栅三维非定常流动数值分析

以全三维、非线性、非定常欧拉方程计算作用于振荡叶栅的非定常气动载荷。欧拉方程的数值离散采用了具有时、空二阶精度的MacCormack显式分裂的两步格式,用时间推进方法得到其数值解。应用动网格技术捕获叶片的运动,保证叶片振动过程中网格边界与叶片表面保持一致。以相移周期条件处理具有不同相位的叶片振动问题,同时发展了伪边界形状修正方法以简化周期边界条件处理。     

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.     

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.     

非结构混合网格高雷诺数流动计算中一种改进的LU-SGS隐式格式(英文)

The lower-upper symmetric Gauss-Seidel (LU-SGS) implicit relaxation has been widely used because it has the merits of less dependency on grid topology,low numerical complexity and modest memory require...     

An SOR Implicit Time-accurate Scheme in Calculating Unsteady Flows

A new time-accurate marching scheme for unsteady flow calculations is proposed in the present work. This method is the combination of classical Successive Over-Relaxation (SOR) iteration method and Jacobian matrix diagonally dominant splitting method of LUSGS. One advantage of this algorithm is the second-order accuracy because of no factorization error. Another advantage is the low computational cost because the Jacobian matrices and fluxes are only calculated once in each physical time step. And, the SOR algorithm has better convergence property than Gauss-Seidel. To investigate its accuracy and convergency, several unsteady flow computa- tional tests are carried out by using the proposed SOR algorithm. Roe’s FDS scheme is used to discritize the inviscid flux terms. Un- steady computational results of SOR are compared with the experiment results and those of Gauss-Seidel. Results reveal that the numerical results agree well with the experimental data and the second-order accuracy can be obtained as the Gauss-Seidel for unsteady flow computations. The impact of SOR factor is investigated for unsteady computations by using different SOR factors in this algorithm to simulate each computational test. Different numbers of inner iterations are needed to converge to the same criterion for different SOR factors and optimal choice of SOR factor can improve the computational efficiency greatly.     

MHD控制激波诱导湍流边界层分离的机理分析

为了研究磁流体动力学(Magnetohydrodynamics:MHD)加速边界层对激波-湍流边界层相互作用的影响,用高阶有限差分法求解了小磁雷诺数近似的MHD湍流方程。其中,无粘通量采用WENN格式离散、粘性通量采用Roe平均中心差分离散,时间采用半隐式推进,并采取追赶法求解。计算给出了湍流、电场、磁场和电导率等参数对边界层分离的影响,数值结果显示:在同样的逆压梯度下,湍流边界层分离能更快地趋于稳态流场,且分离区比层流小;通过施加洛仑兹力加速,边界层速度型面变得更加饱满、位移厚度减小、分离点和再附点向激波与固壁的交点靠近,分离区尺寸减小甚至最终被消除。     

直接的矩阵分裂计算跨音速喷管流场

给出了分离系数矩阵求解欧拉方程组时系数矩阵的直接分离公式，减少和简化了应用该方法时的矩阵运算，参照Ｂｅａｍ－Ｗａｒｍｉｎｇ显式格式构造与ＳＣＭ方法一致的内点差分格式，并分析了它的数值特性，对有斜激波的跨音速内流场进行了数值仿真。计算中采用变系数的当地时间步长，加快了流场达到的收敛速度，计算无需引入任何人工参数，计算值与实验结果吻合。     

高超声速化学反应源项雅可比矩阵的对角化

基于Von Neumann稳定性理论,对高超声速化学反应流中源项雅可比(Jacobian)矩阵应用不同对角化方法的耦合隐式格式进行稳定性分析。详细推导出对角化方法情况下数值方法的增长因子,并分析不同对角化方法条件下的增长因子与CFL (Courant-Friedrichs-Lewy)数及波数之间的关系。理论分析与数值验证表明,Kim方法较Eberhardt和Ju方法更适合源项雅可比矩阵的对角化,保证数值求解在较大的CFL数条件下也能够实现稳定快速计算。另外,结合计算得到的刚性参数,稳定性分析结果还指出在高超声速化学反应外部流场中,激波与驻点之间的亚声速高温高压状态是导致数值格式计算不稳定的物理因素。     

矢通量分裂-TVD杂交新格式及其应用

在贴体曲线坐标系中,本文提出了一个高分辨率的新格式,它是Steger-Warming的矢通量分裂与Harten的TVD(Total Variation Diminishing)格式的杂交,用于计算跨音速定常流动和捕获激波。典型的跨音速内流和叶栅流的算例表明:在60×15网格下捕获的激波过渡区不超过两个网格,证明其分辨率较高;分析激波附近的数值结果,没出现“低亏、过跳”、伪振荡现象;与实验结果的比较表明,对定常流在无人为附加耗散项的条件下它能给出较高质量无数值波动的激波流场解。     

矢通量分裂显式格式及二元喷管射流模拟

本文在较常用的显式两步格式的基础上,采用 Steger- Warming形式的矢通量分裂 (简称矢分或 FVS)的原理,提出了一种矢分二阶精度显式两步格式。在分析了格式的各种特性后,与Mac Cormack格式进行了实算对比。又给出了某二元喷管射流问题的模拟实例。计算结果表明,矢分与该显式格式的配合具有矢分法的基本优点和计算稳定、速度较快的优点。