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。     

基于时间谱方法的振荡翼型和机翼非定常黏性绕流数值模拟

 传统的双时间方法在非定常计算中长时间的过渡迭代推进求解导致其计算效率相对较低,针对周期性非定常流动问题的流动特征,发展了一种基于离散傅里叶变换的高效时间谱方法,用于求解振荡翼型和机翼的非定常黏性绕流。在时空耦合的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的求解中,对流项的离散应用了Roe的通量差分格式,物理时间项的离散方法为时间谱方法,伪时间推进采用了隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)格式。考虑到湍流的时空耦合效应,时空耦合的Spalart-Allmaras一方程湍流模型的物理时间项同样采用时间谱方法进行离散。为了进一步提高计算效率,当地时间步长和多重网格技术等加速收敛的措施均被采用。算例对俯仰振荡NACA0012翼型和Lann机翼的周期性非定常流场进行了数值计算。结果表明:对于周期性非定常流场的数值模拟,相比于传统的双时间方法,用时间谱方法近似物理时间项,不仅能够提高流场的计算精度,而且更能够大幅度提高计算效率。     

非平衡流解耦方法及其计算激波诱导燃烧的应用验证

介绍并发展了一种改进的化学非平衡流动解耦方法.将流动控制方程与化学反应生成源项解耦处理,组分对流项的矢通量分裂基于流动方程密度对流项的分裂形式给出.对流项采用五阶WENO格式求解,化学反应源项的刚性采用简化的隐式方法进行处理.将该方法应用于预混H₂/O₂和H₂/Air激波诱导燃烧计算,得到的定常及非定常燃烧过程与实验观测相符,振荡频率与实验测量较吻合,结果表明该方法应用于多组分多步反应流计算是可行的.      

一种新的用于MHD方程逆风格式的Jacobian矩阵分裂方法

针对理想MHD方程,提出了一种新的基于MacCormack算法的雅可比矩阵分裂方法,克服了原有方法稳定性差的问题,并成功地应用于理想MHD方程的求解.控制方程在非结构混合网格上进行空间离散,其中对流项采用本文发展的逆风向量分裂格式,并引入了双曲型磁场散度清除技术,时间推进为显式5步龙格-库塔方法.对MHD激波管流动和带均匀磁场干扰的二维高超声速钝头体绕流流场进行了数值模拟,得到了与参考文献相吻合的数值结果,表明本文发展的数值分裂方法可以有效地捕捉MHD流场的流动特征,并且具有比MacCormack方法更高的稳定性和计算精度.     

绕翼型低雷诺数流动的数值分析研究

分离泡的产生是绕翼型低雷诺数流动的一个重要特征,分离泡通常都是非定常的,会对整个流场产生极大的影响,由于分离附面层的不稳定性,很快诱发转捩,并产生湍流再附。文中通过求解雷诺平均N-S方程,数值模拟了绕Eppler387翼型的低雷诺数非定常流动,并对两方程SSTk-ω湍流模型,代数B-L模型和层流的计算结果作了比较。N-S方程和两方程湍流模型的控制方程非耦合求解,时间推进均采用近似因子方法(AF);空间离散无粘项采用ROE格式,粘性项用中心差分方法计算;计算非定常流场时,采用伪时间子迭代(τt-s)方法保证二阶时间精度,湍流模型计算时都是在固定点转捩。最后分析了转捩对低雷诺数流动的影响、分离泡的存在引起的流动不稳定性和周期性的脱出涡,数值计算给出的时间平均升力系数、阻力系数和压力分布与实验结果比较吻合。     

隐式紧耦合SST和TNT湍流模型的高速流动数值模拟

将SST(shear stress transport)和TNT(turbulent/non-turbulent)湍流模型输运方程与平均流场控制方程进行隐式紧耦合求解,结合当地时间步长方法和湍流源项隐式处理确保求解过程的快速和稳定.采用AUSMPW+(AUSM by pressure-based weight functions)格式和LU-SGS(lower-upper symmetric Gauss-Seidel)隐式紧耦合方法对高超声速压缩拐角流动、锥柱裙流动和超声速非对称激波/边界层干扰问题进行了数值模拟.计算结果与实验值的对比表明:SST模型和TNT湍流模型可以很好地预测15°压缩拐角流动的壁面压力和热流密度;随着压缩拐角的增大,计算结果与实验值偏差增大;可压缩性修正对压缩拐角流动的压力和热流密度分布有很大影响,对超声速非对称激波/边界层干扰流动影响很小;隐式紧耦合方法比显式紧耦合方法具有更好的收敛特性.      

超音进气道流场的数值计算

用Jameson的有限体积法,对某型号飞机在不同飞行状态下的进气道流场进行了数值模拟。求解的控制方程为三维非定常N-S方程。在对流项的计算上用二阶中心差分有限体积法,粘性项的计算则采用作者在［1］中发表的一种有限体积框架下的新的离散化技术,时间方向用多步Runge-Kutta方法进行推进,以增大CFL条件数。湍流模型则采用Baldwin-Lomax代数模型。求解过程中还采用了当地时间步长,隐式残量平均、人工粘性等加速收敛技巧。最后给出了各种飞行状态下进气逼出口截面的平均总压恢复与总压畸变,得出了比较满意的结果。     

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。     

二元喷管跨音速流场的数值计算

本文采用有限体积法进行空间离散,Runge-Kutta法进行时间推进的办法,通过求解Euler方程来模拟二元收敛—扩散喷管跨音速流场。运用隐式残差平均技术和当地时间步长法加速计算收敛。为了消除气流参数的波动和激波前后的振荡,在方程中添加了自适应耗散项。在100个时间步以内便可获得稳态解。计算结果与试验数据和其他数值方法吻合良好。      

二元喷管跨音速流场的数值计算

本采用有限体积法进行空间离散，Runge-Kutta法进行时间推进的办法，通过求解Euler方程来模拟二元收敛－扩散喷管跨音速流场。运用隐式残差平均技术和当地时间步长法加速计算收敛。为了消除气流参数的波动和激波前后的振荡，在方程中添加了自适应耗散项。在100个时间步以内便可获得稳态解，计算结果与试验数据和其他数值方法吻合良好。     

带源项的守恒系统时间分裂算法定常解的收敛性研究

时间分裂算法很难获得带源项的守恒系统的定常解,本文中,考虑使用基本的隐式方法积分线性、二次和三次源项,研究了时间分裂算法不能收敛到数值定常态的原因.采用一个刚性参数的方式预测定常态的误差,刚性参数依赖于特定的源项.当源项是解的线性函数时,不存在定常态误差;当源项是解的非线形函数时,发现定常状态的误差是刚性参数的单调增加函数.定常态误差的分析将推广到标准k-epsilon双方程湍流模型计算的情况.     

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.     

Numerical Simulation of Rotor Flow Field Based on Overset Grids and Several Spatial and Temporal Discretization Schemes

A numerical method based on solutions of Euler/Navier-Stokes (N-S) equations is developed for calculating the flow field over a rotor in hover. Jameson central scheme, van Leer flux-vector splitting scheme, advection upwind splitting method (AUSM) scheme, upwind AUSM/van Leer scheme, AUSM+ scheme and AUSMDV scheme are implemented for spatial discretization, and van Albada limiter is also applied. For temporal discretization, both explicit Runge-Kutta method and implicit lower-upper symmetric Gauss-Seidel (LU-SGS) method are attempted. Simultaneously, overset grid technique is adopted. In detail, hole-map method is utilized to identify intergrid boundary points (IGBPs). Furthermore, aimed at identification issue of donor elements, inverse-map method is implemented. Eventually, blade surface pressure distributions derived from numerical simulation are validated compared with experimental data, showing that all the schemes mentioned above have the capability to predict the rotor flow field accurately. At the same time, vorticity contours are illustrated for analysis, and other characteristics are also analyzed.     

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...     

Numerical study of compression corner flowfield using Gao-Yong turbulence model

A numerical simulation of shock wave turbulent boundary layer interaction induced by a 24° compression corner based on Gao-Yong compressible turbulence model was presented.The convection terms and the diffusion terms were calculated using the second-order AUSM (advection upstream splitting method) scheme and the second-order central difference scheme,respectively.The Runge-Kutta time marching method was employed to solve the governing equations for steady state solutions.Significant flow separation-region which indicates highly non-isotropic turbulence structure has been found in the present work due to intensity interaction under the 24° compression corner.Comparisons between the calculated results and experimental data have been carried out,including surface pressure distribution,boundary-layer static pressure profiles and mean velocity profiles.The numerical results agree well with the experimental values,which indicate Gao-Yong compressible turbulence model is suitable for the prediction of shock wave turbulent boundary layer interaction in two-dimensional compression corner flows.      

带冲击-气膜双层壁结构的涡轮导叶冷却特性源项法数值研究

为了降低由于大量冷却孔导致的计算资源消耗,采用源项法对带冲击-气膜双层壁冷却结构的Mark II涡轮导叶传热进行了简化数值模拟,并与不采用源项法的结果进行了对比。分析了冷却孔网格密度以及流量系数经验关系式对源项法模拟精度的影响。结果表明,采用源项法能够基本准确地模拟叶片表面温度分布并且缩短75%的计算时间。当冷却孔进出口面网格最小尺度小于孔径的1/10时,数值模拟结果将不随面网格密度改变。影响模拟精度的主要因素是经验关系式能否准确模拟总冷气流量以及横流对流量系数的影响。     

预处理AUSM+格式在全速域反应流模拟中的应用

对预处理修正的AUSM+(advection upwind splitting method+)格式进行了详细讨论, 并将其应用于全速域范围内的化学反应流场数值模拟.基于多组分Navier-Stokes方程, 结合控制方程时间导数项的预处理, 采用预处理修正的AUSM+格式发展了一种模拟全速域范围内化学反应流场的有效算法.验证算例包括超声速、亚声速以及极低速情形的化学反应流场, 计算结果表明基于预处理AUSM+格式发展的算法能够有效地用于全速域范围内化学反应流动问题的模拟.      

高温高压超声速气液两相流场数值模拟

采用欧拉-拉格朗日方法对燃气-蒸汽发射动力装置内高温高压超声速燃气中横向喷雾的气液两相流进行了数值模拟研究,气相采用RK(Runge-Kutta)-AUSM+(advection upstream splitting method+)格式求解Navier-Stokes方程,液相应用颗粒轨道模型,两相之间的耦合通过在气相...     

基于Navier-Stokes方程的旋翼前飞状态气动特性数值模拟研究

建立了一个适用于旋翼前飞状态非定常流场和气动载荷计算的数值方法。在该方法中,控制方程为惯性坐标系下的三维非定常Navier-Stokes方程,空间方向上将三阶逆风格式(MUSCL)与通量差分分裂方法相结合。为较好地模拟流动分离,采用了一方程的Spalart-Allmaras湍流模型,时间方向则采用双时间法推进求解。为计入桨叶的旋转、周期性挥舞和变距运动,采用了运动嵌套网格方法。此外,为了更真实地反映旋翼桨叶的实际运动,发展了一个旋翼配平分析模型及求解方法。应用所建立的方法,首先计算了具有先进气动外形的四片桨叶的UH-60A直升机旋翼悬停状态的流场及气动性能,验证了该方法对悬停状态旋翼气动性能数值模拟的有效性。在此基础上,着重对Caradonna模型旋翼无升力前飞状态和AH-1G直升机旋翼桨-涡干扰前飞状态的气动特性(表面压强分布、扭矩、气动载荷)进行了计算,数值结果和试验值吻合良好,表明本文建立的CFD方法对旋翼前飞状态流场的模拟和气动载荷的计算是有效的。