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.      

高精度有限差分格式的色散优化及耗散控制

本文综述了我们在高精度有限差分格式的色散优化和耗散控制方面的研究进展。首先,我们提出了半离散有限差分格式色散和耗散相互独立的充分条件,实现了差分格式色散和耗散特性的独立调节。在此基础上,提出了色散最小、耗散可控的高精度差分格式,称为MDCD格式。MDCD格式已经得到了广泛应用,取得了很好的计算效果,但其主要缺点是耗散的调节依赖于经验。为了解决这一问题,我们进一步提出耗散的自适应调节方法。具有自适应耗散特性的高精度有限差分格式的基本特征是,差分格式的耗散能够随解的局部尺度自适应调节。为了构造这类格式,我们提出了一种新型的尺度识别器,它能够以等效无量纲波数的形式来定量衡量数值解的局部长度尺度。在此基础上,设计差分格式耗散参数与尺度识别器得到的等效无量纲波数之间的关系,从而构造了一类色散最小、耗散自适应的差分格式,称为MDAD格式。为了计算含有间断的问题,同时保持在光滑区的良好耗散特性,我们利用尺度识别器对一种经典的激波探测器进行改进,提出了一种新的激波探测器,并将自适应耗散格式与对应的WENO格式相混合,得到自适应耗散混合格式。近似色散关系显示该混合格式兼具高分辨率和鲁棒性。多个含间断流场的标准算例测试结果显示,自适应耗散混合格式具有良好的分辨率和激波捕捉能力。     

适用于气动学问题的DRP类有限差分方法

研究了一类低耗散低色散的高阶精度有限差分方法,目的是直接计算非定常欧拉方程用于气动声学问题.采用的数值方法是空间四阶、时间三阶精度的色散关系保持(DRP:dispersion-relation-preserving)类有限差分格式,通过波动方程算例验证了格式模拟波动问题的能力;采用加变幅值的高波数人工耗散项来抑制高频数值振荡,使得该格式可推广用于含激波、初始间断或非线性波动的问题.通过含激波、初始间断条件的算例验证了所用变幅值人工耗散的有效性,最后作为初步应用计算了二维亚、超音速均匀流中简单点声源辐射问题,得到了很好的结果,表明此类方法在气动声学问题计算上深有潜力.     

DCS5在计算气动声学中的应用研究

对流项采用五阶线性耗散紧致格式(DCS5)离散,粘性项采用6阶中心紧致格式离散,时间项采用5级5阶龙格-库塔时间推进格式求解流体动力学方程组,并由此建立近声场的直接模拟方法。为了应用结构网格在复杂几何形状条件下对流场进行计算,发展了高精度的多块特征对接边界技术。完成了低速无粘振荡圆柱和粘性圆柱绕流等标准计算声学算例,获得了令人满意的结果。     

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.     

捕捉激波的群速度控制方法

回顾及综述了群速度控制方法基本原理、发展过程及最新进展。群速度控制方法是通过控制色散误差以捕捉间断的一种数值方法。该方法通过在间断两侧采用不同色散类型的格式,将数值波的传播压制在间断附近,避免数值振荡向周围扩散,从而达到抑制数值振荡的效果。该方法主体上采用数值色散抑制振荡,实际使用中仅需补充较低水平的数值耗散就可将振荡压制在可接受的范围内。因而群速度控制格式的总体耗散水平较低,易于实现小尺度波的高分辨率捕捉,是复杂流动高分辨率数值模拟的有效方法。     

ALE方法求解圆柱的涡致振动

数值求解基于拉格朗日-欧拉(ALE)描述的不可压缩流体的N-S方程,计算了较小雷诺数下圆柱的涡致振动现象.N-S方程的对流项和扩散项分别采用三阶迎风紧致格式和四阶中心紧致格式离散,计算网格采用H-O非交错网格系统,并结合分块耦合方法.柱体运动简化为弹簧-阻尼-质量系统,柱体运动方程采用经典龙格-库塔方法求解.通过模拟柱体和流体之间的非线性耦合作用,成功地捕捉到了"锁定"、"拍"和"相位开关"等现象,并与试验数据相吻合.另外,本文详细分析了Re＝200时圆柱尾涡形态、升力、阻力以及圆柱位移等随圆柱自振频率变化的过程,捕捉到尾涡结构变化的频率转折点.     

三点五阶优化广义紧致格式

根据两种差分格式色散误差目标函数对三点五阶广义紧致格式进行了优化。理论分析及数值实验证明了优化方法的正确性与有效性。该方法具有普遍意义，可以推广用来确定其它各阶精度的广义紧致格式的系数。并且利用类似的思想，可以通过其它限制条件对紧致格式进行优化。     

阵风与叶栅干涉噪声的数值模拟

采用计算气动声学方法求解二维线化欧拉方程对阵风与叶栅的干涉噪声进行了数值模拟。为减少频散和耗散误差,采用七点四阶频散相关保持有限差分格式进行空间离散;时间推进采用优化的4/6低频散低耗散龙格库塔法;在各边界处均选择或建立了适当的边界条件。首先通过模拟阵风在自由空间中的传播验证了无反射边界条件的可靠性;然后对阵风与平板叶栅的干涉问题进行了模拟,数值结果与精确解符合得很好;最后给出了阵风与NACA-0012翼型叶栅干涉的数值模拟结果,显示了数值求解方法的可行性。      

自适应的高精度中心﹣WE NO混合格式

为对可压缩流动进行高精度高分辨率的数值模拟,基于模板的光滑度量函数,构造了新型的加权因子,在此基础上将7阶精度的WENO格式与8阶中心格式进行加权组合,构造了一种自适应低耗散的中心-WENO混合格式(H-WENO7-CD8),并采用Fourier方法对离散格式数学特性进行了理论分析。该自适应的高精度中心-WENO混合格式相比于七阶的WENO格式具有更小的耗散误差。通过对激波-密度干扰问题、Rayleigh-Taylor不稳定性问题和双Mach反射问题的数值模拟,并与WENO-JS格式的计算结果对比,结果表明:该格式结合了WENO格式和中心格式的特点,能更好地捕捉激波,对物理脉动也具有较高的分辨率,适合于复杂流体流动的数值模拟。     

Interface flux reconstruction method based on optimized weight essentially non-oscillatory scheme

Aimed at the computational aeroacoustics multi-scale problem of complex configurations discretized with multi-size mesh, the flux reconstruction method based on modified Weight Essentially Non-Oscillatory (WENO) scheme is proposed at the interfaces of multi-block grids. With the idea of Dispersion-Relation-Preserving (DRP) scheme, different weight coefficients are obtained by optimization, so that it is in WENO schemes with various characteristics of dispersion and dissipation. On the basis, hybrid flux vector splitting method is utilized to intelligently judge the amplitude of the gap between grid interfaces. After the simulation and analysis of 1D convection equation with different initial conditions, modified WENO scheme is proved to be able to independently distinguish the gap amplitude and generate corresponding dissipation according to the grid resolution. Using the idea of flux reconstruction at grid interfaces, modified WENO scheme with increasing dissipation is applied at grid points, while DRP scheme with low dispersion and dissipation is applied at the inner part of grids. Moreover, Gauss impulse spread and periodic point sound source flow among three cylinders with multi-scale grids are carried out. The results show that the flux reconstruction method at grid interfaces is capable of dealing with Computational AeroAcoustics (CAA) multi-scale problems.     

MLP高阶重构格式应用

在有限体积框架下,利用MLP(multi-dimensional limiting process)系列重构格式结合HLLHLLC(Harten-Lax-van Leer with contact)近似黎曼求解器,同时引入激波探测函数进一步降低MLP在光滑流动区域的数值耗散,数值模拟了超声速前台阶流动、结冰翼型的非定常流动、高超声速双楔流动和DLR F6-WB跨声速流场,研究了MLP系列格式在可压缩复杂流场中的表现.结果表明:在多维空间中,MLP格式能够在如强斜激波与网格线不重合等复杂流场数值模拟中保持严格的流场单调性;具有和传统MUSCL(monotone upstream-centered schemes for conservation laws)格式类似的计算效率,可以实现5阶,甚至更高阶重构;数值耗散更低,捕获更准确的激波位置,对航空工程数值模拟具有重要意义.     

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      

二维平行剪切层声波产生和辐射的数值模拟

 在二维线化Euler 方程的基础上解决了第3 届计算气动声学专题讨论会的第5 类标准问题: 二维平行剪切层声波的产生和辐射。频散相关保持有限差分格式用于空间离散, 低频散低耗散的龙格库塔法用于时间积分。重点使用了远场无反射边界条件。计算结果与NASA GLENN 研究中心的解析解符合得很好。     

亚、超音喷管中声传播的数值模拟

采用计算气动声学方法研究了管道近音速区的声传播和声波与激波的相互作用问题。空间离散采用高阶DRP格式,时间离散采用低耗散低频散的龙格库塔方法,边界条件采用Giles的特征变量一维非定常无反射边界条件。计算结果和解析解的精确吻合表明,计算中应用的这种高阶的DRP格式有很高的分辨率和很好的稳定性,适合声传播的计算。      

一种适用于热流计算的改进WENO格式

数值格式是影响高超声速热流数值计算准确度的主要因素之一.根据高超声速流场的特性合理的控制了数值黏性,对WENO(weighted essentially non-oscillatory)格式进行了改进,使其适用于高超声速热流计算.研究结果表明:改进后的格式在捕捉激波时具有良好的激波辨率,在壁面附近尽量减小了数值黏性,提高了格式的黏性分辨率.数值试验也表明了这种改进算法的有效性.      

基于边界变差最小的高精度有限差分格式构造

从加权紧致非线性（WCNS）高精度有限差分格式出发，在其重构形式的基础上，根据边界变差最小（BVD）原理，遵循单元边界两侧重构物理量值之差最小的准则，在每个单元内通过两步空间重构，构造了一种新的高精度有限差分格式。一般对WCNS等加权非线性格式的改进都是基于改善色散耗散特性、优化非线性权、提高分辨率等单一途径，将它们作为重构候补函数进行结合，既保持了各自优势所在，又能控制格式整体黏性，所得格式具有丰富的应用场景。通过数值实验，将结果与单一格式进行对比，新格式既能在流场光滑区保证设计的精度，对激波等间断附近的振荡也有很好的抑制作用，提高了对高波数区的分辨率，而且在长时间计算后也有较为精确的结果。面向广泛发展的数值格式，还可以构造出其他新方法，对包含强间断和多尺度的流动问题可以获得更好的结果。