非均匀网格湍流大涡模拟高精度有限体积解法

为准确预测不可压复杂湍流,提出了一种可用于大涡模拟均匀或非均匀网格上的高精度有限体积法。该方法空间离散采用有限体四阶紧致格式,时间推进采用四阶Runge-Kutta法,压力-速度耦合应用四阶紧致格式的动量插值。通过直接求解顶盖驱动方腔流动证实了该方法具有近四阶的空间精度;并在此基础上,采用动态Smagor-insky亚格子应力模式,成功地实现了充分发展槽道湍流和后台阶湍流流动的大涡模拟计算,所得结果与直接数值模拟结果吻合良好,且采用非均匀网格可在比均匀网格数少的离散系统上得到同样满意的结果。结果表明,该方法是实现高精度湍流大涡数值模拟的一个有效途径。     

基于流场/声爆耦合伴随方程的超声速公务机声爆优化

基于自主研发的大规模并行结构化网格CFD求解器PMB3D以及并行化伴随方程求解器PADJ3D，开展了流场/声爆伴随方程的求解研究。首先采用标准算例，对内部CFD代码PMB3D软件和声爆预测代码进行了声爆计算可信度验证，以及声爆强度对近场声压梯度的校核。针对并行环境下多块对接网格的近场声压提取操作的复杂性，提出了"包围盒"的方法实现并行环境下近场声压装配单元编号、网格块编号以及对应的进程编号确定，基于声爆计算坐标将并行传递的数据进行一维排序，为声爆预测、伴随方程以及梯度求解提供输入条件。通过线性插值雅克比矩阵实现均匀坐标系梯度信息向非均匀坐标转换，并进一步根据结构化网格特征提出了插值原则，简化了近场声压转换雅克比矩阵的变分。通过装配单元记录，实现声爆强度对流场守恒变量的变分结果向各个进程装配，将装配结果作为流场伴随方程的右端项实现流场声爆耦合伴随方程的求解。此外，对小型超声速公务机开展了声爆优化，对比分析了设计前后的声压及其频谱特性。     

三维贴体坐标系下燃烧室热态流场的大涡模拟

大涡模拟三维贴体坐标系下环形燃烧室火焰简热态紊流瞬态流场。利用椭圆方程方法生成三维贴体网格，计算中采用k方程亚网格尺度模型估算亚网格紊流粘性；亚网格EBU燃烧模型估算化学反应速率；热通量辐射模型估算辐射通量。并在非交错网格系下采用sIMPLE算法和混合差分格式求解离散方程，利用壁面函数处理固壁边界条件。计算结果与实验结果的比较表明，采用大涡模拟方法能更真实反映环形燃烧室火焰简内紊流化学反应流气流结构和燃烧过程。     

非结构网格上Euler方程的区域分裂算法及并行计算

改进了“波阵面”区域分裂算法,并应用于流场区域的划分;对于子区域边界的不光滑现象,为尽量减少通讯消耗,提出了一种边界并行优化策略。利用PVM并行环境,探讨了非结构网格上求解Euler方程的分区并行算法。根据改进的区域分裂算法及优化策略,运用Jameson有限体积法,对二维翼型流场进行了分区并行求解,多区计算的结果与单区计算的结果作了比较,表明了本文研究方法的有效性。     

CE／SE并行计算研究及在Euler方程中的应用

时空守恒元和解元方法(CE/SE)是一种高精度的数值求解方法.采用改进的CE/SE方法和并行分区技术,针对非结构网格,发展了一套求解二维Euler方程的并行程序.对NACA0012翼型的亚跨声速流动和多段翼型复杂绕流进行了分区并行求解,多区并行计算的结果与实验的结果吻合较好,表明了本文研究方法的正确性和有效性.同时文中的分区方法能实现各处理器之间的负载均衡,有效地节省计算时间.     

非结构网格体心梯度求解方法的精度分析

对于空间二阶精度的非结构网格求解器,无黏通量和黏性通量的计算都需要流场变量在单元体心处的梯度值。体心梯度求解的精度很大程度上决定了求解器整体的精度。本文推导了几种常用的梯度求解方法(包括格林高斯法,节点格林高斯法和最小二乘法)求解体心梯度的理论精度,并从数值方面对上述理论精度进行了验证。在数值测试过程中,通过以当前单元体心为基准进行坐标局部缩放的做法,保证了在非结构网格上做精度测试时,网格拓扑能够严格保持不变。理论推导和数值测试一致发现:使用保线性权插值到节点的节点格林高斯法、使用共面单元的最小二乘法和使用共点单元的最小二乘法,不管网格拓扑关系如何,都能保证梯度求解为一阶精度。而格林-高斯法和使用距离倒数权插值到节点的节点格林-高斯法在一般的网格中只有零阶精度,只有在特定的网格和权函数关系下,才能有一阶精度。最后用NACA 0012翼型亚声速绕流模拟进一步验证了梯度求解方法的收敛精度。     

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.     

基于浸入边界法的低雷诺数流固耦合数值模拟(英文)

提出一种基于SIMPLE算法的非定常流固耦合计算方法。流体Navier-Stokes方程空间采用非结构化网格有限体积法离散,时间项采用了欧拉隐式方法。利用浸入式边界方法模拟静止或者运动固体区域,流固界面作用力通过流体体积(VOF)方法进行处理。从而可以用固定网格求解任意复杂区域中的流固耦合作用。本文模拟了低雷诺数静止及振荡圆柱绕流,所得结果与文献中贴体网格计算结果吻合,从而验证了本文方法的合理性和正确性。     

网格变形在俯仰振荡翼型中的应用

为解决航空器结构变形问题,在研究相关非定常流场基础上,建立了包含结构变形的非定常流场数值求解方法,运用无限插值法（TFI）生成任意时刻的非定常动态网格,通过与刚性动网格比较,证明了方法的可行性,并以NACA0012翼型为算例,对翼型俯仰振荡运动中表面柔性变形问题进行了数值模拟,发现俯仰振荡中叠加变形形式为一阶振型时,可以明显地提高升力、增加动稳定、提高升阻比。     

涡轮平面叶栅非轴对称端壁优化设计

开发了一套造型灵活直观、网格生成速度快的涡轮平面叶栅非轴对称端壁优化设计工具,该工具的核心技术是非均匀有理B样条(NURBS)曲面造型和网格变形.在此基础上以商业软件Isight为优化驱动器,以CFX为求解器,搭建了非轴对称端壁优化设计流程.以Pack B涡轮平面叶栅为例,对其进行了非轴对称端壁优化设计.优化后涡轮平面叶栅总压损失系数减小了12.96%.结果表明:涡轮平面叶栅端部的静压分布改变削弱了涡轮平面叶栅通道中马蹄涡、通道涡的强度,提高了涡轮平面叶栅的气动性能.      

稀疏非结构网格上的亚声速流高精度数值模拟

采用高阶间断有限元法在非结构网格上数值求解二维亚声速Euler方程。数值结果表明,尽管采用的非结构网格非常稀疏,但通过采用真实曲线物面边界和高阶的基函数仍可得到高精度的数值解。另外,对于超低速情况,方程无需经过任何特殊处理就可以得到收敛的数值解。由于采用牛顿一般最小余量法(Newton-GMRES)时通常需要较好的初始值,本文设计了一种阶谱循环过程来提高数值求解的鲁棒性。     

Implicit discontinuous Galerkin method on agglomerated high-order grids for 3D simulations

High quality of geometry representation is regarded essential for high-order methods to maintain their high-order accuracy. An agglomerated high-order mesh generating method is inves-tigated in combination with discontinuous Galerkin (DG) method for solving the 3D compressible Euler and Navier-Stokes equations. In this method, a fine linear mesh is first generated by standard commercial mesh generation tools. By taking advantage of an agglomeration method, a quadratic high-order mesh is quickly obtained, which is coarse but provides a high-quality geometry represen-tation, thus very suitable for high-order computations. High-order discretizations are performed on the obtained grids with DG method and the discretized system is treated fully implicitly to obtain steady state solutions. Numerical experiments on several flow problems indicate that the agglomer-ated high-order mesh works well with DG method in dealing with flow problems of curved geome-tries. It is also found that with a fully implicit discretized system and a p-sequencing method, the DG method can achieve convergence state within several time steps which shows significant effi-ciency improvements compared to its explicit counterparts.     

轴流压气机机匣变形对多排转子流场特性的影响

在实际轴流压气机加工、装配、使用过程中,机匣的圆度控制、叶片的高度控制、转子和机匣之间的同轴度控制等都普遍存在误差,意味着叶尖间隙的不均匀性必然地存在于每台压气机中。随着对轴流压气机流动研究的不断深入,叶尖周向非均匀间隙成为了需要考虑的问题。针对由机匣变形造成的非均匀叶尖间隙,研究了其对多排转子流场特性的影响。首先介绍了表征机匣变形程度的新参数,进而引进了非轴对称压气机模型的建模方法。针对3种不同的间隙周向布局,采用定常和非定常方法进行了数值模拟,对比了均匀与非均匀间隙下多排转子的气动性能,分析了机匣变形对气动损失分布和传播的影响,并研究了非均匀间隙下非定常压力和气动力的脉动特征。结果表明：非均匀间隙会降低转子性能,转子叶排叶尖区域的流场在非均匀间隙下呈现明显的周向非对称性,在上游叶排“尾迹”的干扰下,后排转子叶尖流场的周向非对称性要大于前排转子。非均匀间隙布局与各叶片气动力分布呈现明显的对应关系,小间隙区域叶片的气动力高,大间隙区域叶片气动力相对较低,从而增加了非均匀间隙下转子叶片的气动力幅值。     

基于滑移网格的螺旋桨滑流影响研究

基于滑移网格技术,通过采用准定常N—S方法,分析研究螺旋桨滑流对全机气动特性的干扰影响。以某带四台螺旋桨发动机的巡航构型为例,对比研究滑移交界面的影响,确立准确的滑移交界面建立方式,进而重点对某带后缘襟翼的螺旋桨飞机的流场特性进行计算分析,研究螺旋桨滑流对全机流场和气动性能的影响。数值计算表明：提出的用于研究螺旋桨滑流影响效应的滑移网格方法,是螺旋桨飞机设计评估的一种有效数值模拟手段,可简化动静网格的数据交换,具有一定的工程实用价值。     

三维可压缩 Navier-Stokes 方程的间断Galerkin 有限元方法研究

拓展了二维间断 Galerkin(DG)有限元方法研究，将该数值方法用于三维可压缩欧拉方程和 Navier-Stokes方程的求解。基于六面体网格单元，采用插值方法将物面的四边形面网格单元构造为弯曲面网格单元，更好地表述了真实物面特征；物面边界相邻体网格单元相应构造为高阶体网格单元，其余体网格单元采用八节点六面体单元，以较小的计算代价使网格满足 DG 方法计算需求。通过对三维带 bump 管道内流、圆球绕流以及旋转流线体绕流进行的数值求解，验证了边界弯曲方法的可行性及 DG 方法的高精度特性。此外，由于采用了隐式计算方法，仅需较少的时间步就能迭代收敛。     

Computational modeling for multiphase flows with spacecraft application

Many engineering applications involve interactions between solid, gas and liquid phases under normal or micro-gravity conditions. Numerical simulations of such fluid flows need to track the location and the shape of the fluid interface as part of the solution. The merits and basic characteristics of various approaches for numerical computations of interfacial fluid dynamics are reviewed. The computational challenges include: (i) the algorithmic complexity for handling irregularly shaped moving boundaries that can experience merger and break-up; (ii) resolution refinement techniques to maintain desirable resolution of length scales, in accordance with the evolving fluid dynamics; (iii) data structure needed to support identification of the interface and satisfaction of the physical laws in the bulk fluids as well as around the phase boundaries; and (iv) efficient parallel processing techniques required for practical engineering analysis. The present review focuses on these issues related to the Lagrangian–Eulerian approach, utilizing the immersed boundary method with marker-based tracking, as the main framework for interfacial flow computations on Cartesian grids. Specifically, we offer in-depth discussion of the organization and layout of the mesh systems for both fluid and interface representations, local adaptive refinement on two-dimensional/three-dimensional (2D/3D) Cartesian grids, and multi-level domain decomposition method that utilizes Hilbert space filling curves for parallel processing strategy. The effectiveness of individual components and overall algorithm are presented using various tests such as, binary drop-collision computations to highlight grid adaptation and interface tracking algorithms to handle complex interface behavior, and bubble/droplet placed in a vortex field with various density/viscosity ratios across interfaces to address load balancing and scalability aspects of parallel computing. A time-dependent draining flow problem motivated by spacecraft applications is presented to aid spacecraft design efforts.     

跨、超音速流动的区域分解方法与并行算法

研究二维跨、超音速无粘性流动的 Euler方程区域分解方法、并行算法及其应用。通过内边界耦合条件实现相邻子区域解的光滑过渡,以得到总体流场的数值解。发展了一种多块区域之间守恒型的有效内边界耦合方法,对二维翼型跨音速流动和钝头体超音速流动等进行了分区数值求解,分区计算结果与其他单区计算结果作了比较,并讨论了多种区域分解数目的分区计算效率。并行计算采用纯结点并行编程方式和“先进先出”的同步控制等待机制,利用 PVM并行环境对二维绕翼型跨音速流动做了二区和四区分区并行计算。     

亚声速机翼快速摄动面元法

在内部Dirichlet问题提法的面元法基础上，用解析法求几何外形摄动导数（偶强密度对机翼外形坐标的敏感性偏导数），从而快速确定机翼表面压力分布、升力系数和俯仰力矩系数。由于本文以偶强密度常值分布的低阶面元法为基础，故比以偶强密度二次分布的高阶面元法为基础的摄动面元法在最费机时的偏导数矩阵计算上要快一个量级，而由于以符合流场特性的物理内插代替加权几何内插，两者在确定物面压力分布时准确度却基本一致，此外，本方法对内存要求较低，可处理较相应高阶方法更多的面元数。     

任意运动变形边界流场测量PIV算法的研究：薄膜涡激振动

提出了一种精确测量任意运动变形边界流场的粒子图像速度场PIV算法,能智能识别强流固耦合问题流场测量中任意运动变形的边界信息,然后生成贴体自适应的图像互相关计算窗口,计算获取运动变形边界附近的速度场数据。这一算法可大大提高任意运动边界附近流场的测量精度,为流固耦合问题的理论分析和数值计算验证提供可靠的高质量实验数据。针对数字合成给定流场的粒子图像序列,采用所发展的PIV算法对粒子图像区域中的运动变形边界进行了精确识别,高质量地复现了原始流场信息。最后,对低速闭式循环水洞中的钝体尾流柔性薄膜涡激振动现象进行了PIV实验测量,获得了柔性薄膜大变形运动状态下的瞬态流场特征。     

多块多重网格法及其跨声速转子内流并行模拟

为提高压气机内部复杂流动计算的收敛速度,发展了一种多块多重网格上的可压缩流动并行计算流体动力学(CFD)方法,数值模拟了跨声速转子NASA Rotor 35内部流动及气动性能,重点分析了对接分区方式和内界面通信模式对并行性能的影响。结果表明:对接分区方法和多块多重网格内界面数据处理方法能够保证串、并行CFD方法结果基本一致,且与实验数据吻合良好;并行精度基本不受分区数目和通信模式的影响,并行效率随着相对通信负载的增大而降低。所发展的并行计算方法对跨声速转子气动分析和设计具有一定的可靠性,为开发大型流体机械复杂流动的基础并行算法及软件提供了参考价值。