计算气动声学中的紧致滤波格式

从理论上分析了数值伪波产生的原因,要消除数值伪波可用滤波方法。为了使滤波器具有理想的截断特性,引入了修正的高斯函数。通过让滤波器的频响函数与修正的高斯函数逼近,利用序列二次规划(SQP)方法优化了五对角紧致滤波格式。优化的滤波格式提高了计算精度和效率,增强了数值稳定性,更易于实施。一维和二维算例体现了优化滤波格式的性能改进。     

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。     

适用于超声速的一种通量限制型紧致格式

紧致格式因其结构简单、在相同的网格点上能达到比非紧致格式更高的精度以及与谱方法相近的分辨率等优点,日益受到人们的重视。用紧致格式模拟超声速流场的主要问题之一是如何保证高阶紧致格式能光滑地捕捉到流场的各种间断。本文借鉴NND格式的思想,构造出一种总体上具有三阶精度的通量限制型紧致(LFC)格式,并成功地应用于含有激波、滑移面等复杂流动现象的数值模拟。计算结果表明这种格式不仅具有较高的精度和分辨率,而且还保证了在间断附近基本无虚假波动。     

一种改进的紧致WENO混合格式

给出了一种用于激波捕捉计算的守恒型混合紧致WENO格式.混合格式可视为五阶WENO格式和五阶守恒紧致格式的加权平均.在格式构造中,本文采用了间断分辨率更好的WENO权因子计算方法以及新的子格式权因子计算方法.对于Euler方程,仅对混合格式中WENO格式部分做特征投影处理,不仅获得了特征型WENO格式良好的间断分辨率,同时又保证了计算效率.数值实验验证了本文混合格式的高时间效率和高流场分辨率.     

计算气动声学中的高精度紧致差分格式研究

优化了五对角紧致差分格式.通过Fourier分析,将优化目标转化为一个求带有约束的多元非线性函数的最小值问题,利用序列二次规划(SQP)方法获得最佳系数.通过三种措施保证优化的格式具有高精度和分辨率:①直接对量化波数误差积分求其最小值;②采用绝对误差准则,使各种波长的波具有同一误差限;③优化的波数空间和精确求解区间一致.通过调整内部和边界格式的Taylor精度及误差限,保证整个格式的稳定性,并从理论上证明了优化格式具有渐进稳定性.一维和二维基准算例体现了优化格式的性能改进.      

双时间步长加权ENO-强紧致高分辨率格式及在叶轮机械非定常流动中的应用

在非结构网格下,针对非定常三维N-S方程组发展了一种双时间步长高精度快速迭代格式。该格式在时间上具有二阶精度,在空间上将r=3的加权ENO格式与强紧致格式相结合去处理N-S方程中的对流项以及离散方程的右端项,并用四阶精度的紧致格式去计算N-S方程中的粘性项。典型的3个算例从不同侧面对格式进行了考核。计算表明:该算法具有高效率与高分辨率的特征,所得的计算结果与相关实验数据比较吻合,初步表明了该算法可以在非结构网格下模拟非定常流动的物理过程。      

适用于超声速流场计算的有限体积紧致算法

结合紧致格式与有限体积法两者的优点,提出了一种基于有限体积的紧致算法.采用特征处理的通量限制方法抑制紧致格式在间断附近的非物理振荡,将该算法应用于航天领域超声速流场的数值模拟.通过计算典型算例,并与其他格式计算结果进行对比,证明了该算法能够无振荡捕捉各种间断,且对波系结构的刻画最为锐利,并能够精细分辨小尺度流场结构,计算结果与精确解最为接近.      

基于神经网络的减阻沟槽壁面形状优化

针对沟槽外形减阻问题，采用基于神经网络的方法对沟槽壁面形状进行外形优化。模型采用槽道流动模型，控制方程为黏性不可压缩Navier-Stokes(NS)方程，流动求解采用直接数值模拟（DNS）方法，对于对流项的离散采用紧致4阶中心格式，对黏性项的离散采用4阶中心格式，时间推进采用3阶Runge-Kutta格式。在神经网络优化过程中，约束方程为不可压NS方程，采用基于在线学习的自适应控制器，使用基于抑制展向切应力的控制律，控制量的产生由壁面变形提供。优化结果表明，壁面最大减阻效果可达17.41%。对于优化后的壁面，湍流强度降低了19.68%，同时壁面的涡量与雷诺切应力亦有所降低。由于湍流流动非定常，因此优化得到的壁面形状亦是时变的，但变化的过程中整体上仍呈现流向沟槽的形状。     

气动声学直接数值模拟的空间差分格式分析

流场内声波的直接数值模拟对数值格式的耗散、色散特性提出了严格要求,首先介绍了两种适于声学模拟空间差分格式——紧致差分格式与色散关系保持(DRP)格式的基本思想,然后分析了格式的色散及其与四阶龙格-库塔法结合时的耗散特性。根据Fourier误差分析和数值模拟发现:无论从格式可有效求解的波数范围还是从与龙格-库塔时间推进结合后的耗散特性来看六阶紧致格式的可有效求解范围要大于DRP格式;不过,数值计算表明紧致格式的计算量远远超过DRP格式,对计算机资源提出了较高的要求。      

利用紧致格式捕捉间断的数值方法研究

将通量限制或加权的思想引入到紧致格式中,构造了两类传统方法与紧致格式混合组成的差分格式:通量限制与加权型差分格式。通过方波、组合波、定常激波、非定常Sod问题、Shu问题和Lax问题上的计算,以及与精确解的比较,结果表明这两种方法在间断的捕捉上具有高精度、高分辨率,而在计算方波、组合波或Shu问题和Lax问题上,加权格式具有更大的优势。     

紧致格式数值模拟超音速粘性绕流问题

通过数值求解可压Navier-Stokes方程的方法计算了球锥粘性绕流问题。方程中粘性项按通常办法逼近,为改善收敛速度利用了文[1,2]中之算子附加修正方法。方程中之流向导数利用了四阶精度的紧致差分。这是由于该方向上流动参量光滑和边界条件易于处理的缘故。在法向方向上利用了中心差分。对差分方程之隐式部分利用了近似因式分解法。由于选用了文[3]中之特殊Jacobiall系数矩阵分裂法而使计算工作量大为减少。用这种方法计算了超音速粘性绕流问题。计算结果与实验结果相符很好。     

一种求解双曲守恒律方程的新方法

近年来,在计算流体力学中,WENO(WeightedEssentiallyNon-oscillatory)格式得到了很大的发展,这也促进了基于WENO格式基础上的CWENO(CentralWENO)格式的发展。WENO格式的主要思想是通过凸组合的方式进行插值重构,以得到高阶逼近,并且在间断附近防止伪震荡的产生。本文构造了一种新的五阶紧凑CWENO格式,该格式所选模板节点少,并且保留了原有中心格式的优点。最后通过一些数值算例来验证该格式的高精度,本性无震荡性质。     

高阶格式及其在内外流场计算中的应用

高阶格式这里包含两种不同的含义,一种是人们常说的高精度格式;另一种是高分辨率格式,因为它常与高精度有密切联系,但两者毕竟有严格的区别.在格式的构建上,相比之下高分辨率格式较高精度格式难得多.本文从4个方面讨论了高精度格式与高分辨率格式在相关领域中的应用并给出了大量算例,这对澄清人们对高阶格式的认识,弄清它们各自的适用范围是十分必要的.大量的数值计算与研究表明:对于复杂流场,尤其是既考虑激波与边界层相互作用,又要考虑壁面传热的流场,用低阶数值格式计算是无法得到与实验较接近的数值结果的,因此发展高阶格式对处理高温涡轮的气膜冷却问题以及高速飞行器的气动热计算是至关重要的.      

基于高阶耗散紧致格式的GMRES方法收敛特性研究

计算效率较低是当前限制高阶精度计算方法应用的重要因素。为了提高高阶精度混合型耗散紧致格式（HDCS）的计算效率,发展了适合多块对接网格的广义最小残值（GMRES）方法,并利用GMRES方法开展了HDCS格式的加速收敛研究。首先研究了GMRES的预处理方法、CFL数和内层迭代步数对HDCS数值模拟收敛特性的影响,计算结果显示：点松弛方法是一种高效的预处理方法;CFL数对计算收敛速度影响较大;GMRES方法存在最优的内层迭代步数。利用GMRES方法完成了NACA 0012翼型绕流、NLR 7301翼型绕流和DLR-F4翼身组合体绕流的数值模拟,并与其他隐式时间推进方法进行了对比,GMRES方法计算更加稳定,并且计算效率相对LU-SGS（Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel）方法可以提高5倍以上。研究结果表明,本文发展的GMRES方法在多块对接网格中具有良好的计算稳定性,计算结果的残差可以收敛到更低的量级,并且可以较大幅度地提高高阶精度数值模拟的计算效率。     

槽道流动中湍斑的数值模拟

采用Navier-Stokes方程直接数值模拟槽道流动中湍斑的形成和发展.建立高精度、高分辨率的三维耦合中心差分格式,并和时间分裂法、高阶迎风差分格式一起组成高效的高阶紧致差分方法;克服一般高阶中心差分格式不适用于边界邻域的困难,可用于包括边界邻域在内的整个计算区域;在边界上满足Navier-Stokes方程的无反射和压力条件,保证了格式的精度和一致性.通过模拟槽道流动中从壁面脉冲到湍斑的演化过程,显示出湍斑内雷诺应力和速度、压力脉动等湍流的基本特征,表明了湍斑的生成与壁面脉冲的强度和Re数大小直接相关.     

非结构网格紧致高精度气体动理学格式

简要介绍了非结构网格上基于内自由度高效紧致重构方法的几种高精度气体动理学格式(GKS),包括结合三阶GKS通量求解器与子单元有限体积法(SCFV)及通量重构方法(CPR)构造的两种单步时空三阶格式SCFV-GKS和CPR-GKS,以及结合二阶GKS通量和两步四阶方法构造的时空四阶CPR-GKS。进而在CPR-GKS中混合SCFV增强对流场间断的分辨能力,并拓展到三维六面体网格。通过几种典型数值算例,对比分析了这几种格式在可压缩流动问题中具有的高精度、高效率和良好的间断捕捉能力。GKS通量的多维时空演化特性与紧致重构方法的高效性为发展高精度格式提供了有力的支撑。     

消除粘性项高阶离散数值振荡的半结点-结点交错方法

通常的粘性项处理方法是连续两次采用结点型中心差分格式求得.但是,通过两次采用高阶结点型中心格式求得的粘性项易在流场中的"间断"附近产生数值振荡.本文采用多种格式,通过求解一维Burgers方程来充分展示了这种振荡现象.为了消除这种数值振荡,一种半结点型的高阶紧致格式被用来求解粘性项.Fourier频谱分析表明,这种格式具有非常优越的保频谱性能.一维和二维的数值计算结果表明,通过"半结点-结点"交错采用这种半结点型格式的方法可以非常有效地避免粘性项高阶离散可能导致的数值振荡.