任意单元间断Galerkin有限元计算方法研究

基于龙格库塔间断Galerkin(RKDG)有限元法的构造思想,通过局部坐标变换,发展了非正交单元DG有限元计算方法;借鉴非结构网格有限体积隐式计算方法,发展了适应于DG有限元方法的隐式计算方法;借鉴一维和二维(三角形单元)DG有限元限制器构造方法,提出了非正交三棱柱单元限制器方法;利用上述方法数值模拟了球头和双椭球的高超声速粘性绕流,得到了清晰的流场结构,并得到了较好的压力和热流分布,表明该方法在复杂高超声速流动的数值模拟方面具有广阔的应用前景。     

旋转坐标系N-S 方程无网格/网格混合算法

为了模拟涡桨发动机等绕固定轴旋转的桨叶流场,发展了一种求解旋转体非定常黏性绕流的无网格/网格混合算法。算法基于求解旋转坐标系纳维尔-斯托克斯方程展开,避免了旋转角速度特征物理量的插值运算;计算域采用整体网格和物面附近局部无网格离散,通过引入无网格和网格对偶点,实现了混合算法绕流信息的跨区交换,并给出了一种对偶点调整选取的方法;基于无网格点云空间导数逼近方法离散控制方程,并结合隐式LU-SGS算法,给出了混合算法求解非定常问题的双时间步隐式推进格式。结果表明:所提算法通过2维振荡翼型非定常绕流、旋转圆柱黏性绕流和模拟发动机桨叶旋转运动的3维悬停旋翼绕流进行了考核,所得升力系数等重要气动数据的变化趋势与文献试验或计算值一致,典型截面处所示的激波强度和位置亦与文献值吻合,展现出算法在模拟旋转部件绕流问题方面具有广阔的工程应用前景。     

三维动态非结构重叠网格Navier-Stokes方程并行算法

 提出了一种三维动态非结构重叠网格Navier-Stokes(N-S)方程的并行计算方法。N-S方程的空间离散采用格点有限体积方法,时间离散采用隐式的双时间步长方法。应用一方程Spalart-Allmaras(S-A)模型来计算湍流黏性。并行计算采用动态的区域分裂方法,在每一物理时间步利用METIS网格分区系统对网格进行分区。为了实现各CPU之间的负载均衡,每块网格都按CPU个数进行分区并对活动节点和非活动节点进行了加权处理。最后,通过对外挂物投放无黏流动的数值模拟和内埋武器弹舱开启黏性流动的数值模拟,验证了该并行程序的准确性、高性能并行计算以及处理复杂几何外形的能力。     

非结构网格催化壁面的隐式处理方法

为了解决格点型非结构有限体积法隐式处理完全催化壁面时边界上出现非物理解的情况,提出了壁面边界隐式矩阵"松弛"处理方法,使得格点型非结构有限体积法可以用于高超声速非平衡条件下气动热的预测。提出了考虑等温壁面和辐射平衡壁面下,处理完全催化壁面的"松弛"方法,并给出了边界控制体上隐式矩阵的具体形式。针对高超声速化学非平衡流动,使用非结构网格对典型的圆柱绕流以及球头绕流问题进行模拟,并与结构网格计算结果进行比较分析。验证了所提出的强制边界条件的"松弛"格式可以正确模拟完全催化壁面边界条件。在此基础上,针对不同质量分数配比的自由来流进行计算,分析壁面处组元的质量分数以及热流,计算结果显示即使在自由来流中两个组元质量分数各占50%的情况下,被"松弛"的组元质量方程的残差仍然能够到10~(-8)量级,壁面上热流计算正确并且组元质量分数与自由来流保持一致。这表明本文方法在自由来流中质量分数最大组元不占优的情况下仍然有效。     

DPLR隐格式在多块结构网格的计算实现

利用DPLR隐格式收敛快、适于并行计算的特点,结合DPLR在多块结构网格的对接边界处理,提出了一种隐式对接边界条件数学模型与数值处理方法。以二维和三维球头绕流为算例,研究了网格分块方式对DPLR隐式算法稳定性和收敛性能的影响。通过返回舱复杂绕流问题数值模拟、气动特性检验分析以及与风洞试验对比,考察了算法在复杂外形数值模拟中的能力和高收敛性能特点:在非求解方向上进行网格分块,不会对DPLR算法的收敛性能产生影响;而在求解方向上进行网格分块,特别是分块位置在边界层内,会降低算法的稳定性和收敛性;提出的隐式对接边界条件处理方法,能改善在求解方向上进行网格分块造成的算法稳定性和收敛性能下降的问题。DPLR算法结合隐式对接边界条件能够成功应用于类返回舱外形体复杂流动数值模拟,且收敛速度较快。     

基于混合笛卡儿网格方法的可压流动数值模拟

以可压缩黏性流动的数值模拟为研究背景,发展了一套自适应混合笛卡儿网格(AHCG)方法以及基于有限体积方法的雷诺数平均Navier-Stokes(RANS)的数值求解方法.为更好地模拟边界层的黏性流动在近壁面处采用贴体结构网格,剩余计算区域自动生成与之相重叠的笛卡儿网格,并同时发展了基于流场特征的笛卡儿网格自适应技术.结合ADT(alternating digital tree)算法显著减少了网格生成中“挖洞”和“贡献单元”搜索的消耗机时,50万左右的网格数目下,搜索耗时为0.062s,仅为普通遍历方法的1/1847.通过二维圆柱与两段翼型绕流的数值算例显示,定常AHCG方法能够准确地预测物面压力分布与升阻力系数并且具备处理复杂外形的能力;同时通过二维非定常圆柱绕流问题与NACA0015矩形机翼翼尖尾涡的捕捉算例显示,结合了动态自适应网格加密的非定常AHCG方法尤其适用于旋涡主导流动.      

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。     

复杂外形飞机绕流数值模拟研究

飞机复杂外形的绕流数值模拟在飞机型号研制中有重要的作用 ,也是数值模拟中比较复杂的问题之一。本文采用基于Octree技术的方法生成非结构四面体网格 ,用耦合隐式离散的方法进行有限体积离散 ,利用此方法对某型飞机的绕流特性进行了数值模拟 ,收到较好效果。     

低雷诺数翼型层流分离现象大涡模拟方法

为准确预测翼型低雷诺数条件下出现的层流分离流动现象,发展了基于结构化拼接网格的大涡模拟方法。控制方程为Favre滤波Naver-Stokes方程,并选用多种亚格子模型。空间离散采用AUSM格式以及高阶WENO格式,时间推进采用显式方法和隐式方法。以SD7003翼型在雷诺数60 000及4°迎角下的层流分离流动为研究对象,对比分析了数值格式、亚格子模型、网格尺度对流场预测结果的影响。数值结果表明:划分的计算网格能够有效解析小尺度流动结构,基于隐式亚格子模型、采用AUSM格式和双时间步推进的大涡模拟方法能够准确预测流动分离、转捩、再附等复杂流动现象,计算得到的平均压强系数与雷诺应力分布与文献数据吻合较好。与转捩模式计算结果对比进一步表明:发展的大涡模拟方法能够准确预测翼型低雷诺数层流分离流动非定常演化过程,为下一步的研究工作建立了有效的数值模拟手段。     

浸入边界法模拟小圆柱对主圆柱涡脱落的抑制

使用浸入边界法研究了小圆柱对主圆柱涡脱落的抑制.方法中使用非贴体笛儿尔网格,易于处理包含复杂边界的流动问题.采用离散附加力直接加入边界条件方法对虚单元进行重构,使边界条件在浸入边界上精确满足.使用隐式分步法解二维非定常不可压Navier-Stokes方程,通过速度和压力解耦提高计算效率.数值模拟单圆柱绕流及不同位置小圆柱和主圆柱的流动干扰,通过分析流场涡结构和升、阻力系数,得到小圆柱对主圆柱涡脱落的延迟和抑制作用.计算结果与已有实验结论和数值结果对比,计算误差不超过5%,说明浸入边界法可以简单有效地处理圆柱涡脱落抑制这类流动干扰问题.     

一种适用于三维混合网格的GMRES加速收敛新方法

为提高流场计算收敛效率,发展了一套适用于三维混合网格Naiver-Stokes方程求解的并行广义最小残差（GMRES）隐式时间推进方法。该方法由科学计算可移植扩展工具包（PETSc）中的Krylov子空间求解器实现,线性方程系统中的系数矩阵直接以显式给出以提高算法的稳定性。为进一步提高GMRES方法的收敛速度,对非结构网格的序号进行了重排序,使得系数矩阵的非零元素尽量向主对角线靠近。利用所发展的GMRES方法,完成了对ONERA-M6机翼、AIAA阻力预测会议通用研究模型（CRM）等算例的计算,计算结果与试验结果吻合良好。通过与其他隐式推进方法进行比较,对算法的收敛特性进行了研究。结果表明,所发展的GMRES方法计算更加稳定,残差下降速度相对LU-SGS（Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel）方法更快,尤其是气动力系数向着收敛解逼近的速度更加明显,提高了计算效率。     

侧喷流对导弹尾流场影响的数值研究

基于PISO算法,通过求解三维N-S方程,对导弹飞行过程中超声速自由来流、侧喷流及主发动机尾流进行了一体化仿真研究.得出了清晰的流场分布图,分析了侧喷流对外流场及尾流场的影响,比较了飞行速度与侧喷口位置对侧喷流作用效果的影响.结果显示:侧喷口的分布位置是决定侧喷流对尾流场影响大小的主导因素;侧喷流对尾流场的影响,随导弹...     

非结构同位网格SIMPLE类算法收敛性能比较

以非结构网格的SIMPLE算法为基础,将算法扩展为SIMPLEC算法.利用30°角的斜方腔流动计算成果,分析了非结构同位网格的SIMPLE/SIMPLEC算法的收敛性能;比较了因网格的非正交而引入的非正交项的取舍对该算法收敛性能的影响;并采用显式校正步法对SIMPLEC算法进行了显式校正.比较表明,在非结构同位网格SIMPLEC算法中可忽略非正交项,但有必要对压力作亚松弛.显式校正步法可显著地加速在非结构网格上求解N-S方程的收敛性能,而且在不同的松弛因子组合下,均有较好的收敛速率.     

计算全马赫数下粘性流动的隐式算法

把预处理方法引入到求解三维粘性流动的Navier-Stokes方程隐式格式算法中,并应用这种方法对平板算例在层流和湍流两种不同流态下及四个不同Ma数下进行了数值模拟,计算结果与理论值及相关公式吻合,同时对比分析了有无预处理情况下的收敛性,证明了本文所采用的预处理隐式算法对于任意马赫数都是适合的,而且可以提高残差精度量级,加快收敛。     

隐式耦合求解燃烧室内喷雾两相流场

在任意非结构网格下,采用开源程序对某型涡喷发动机环形燃烧室内的喷雾燃烧过程进行数值模拟.首先选用k-ε双方程模型、EBU(eddy break up)-Arrhenius紊流燃烧模型、颗粒随机轨道模型等模拟流场中的物理过程.然后用隐式耦合算法求解气相流动、拉格朗日方法跟踪液滴相在流动区域的运动,并考虑气相与液滴相的完全双向耦合作用.仿真实验得到的 燃烧室内温度分布、马赫数分布、速度分布、压力分布均较合理,温度分布与文献中的基本一致,这表明隐式耦合方法能够较好地模拟燃烧室内流场,反映其内部流动特点.      

透平机械空穴漏气非定常流动的数值模拟

为了解空穴漏气在透平中非定常流动,对某型带空穴漏气单级透平进行非定常数值模拟,计算格式采用包括LU-SGS-GE隐式格式和改良型高精度、高分辨率的MUSCL TVD格式的时间推进算法,非定常计算采用Jameson双时间步隐式迭代法.计算结果表明空穴漏气随着二次流的影响沿着动叶吸力面一侧向下游输运,输运过程中会不断沿径向向外迁移.由于空穴漏气的射入,非定常效应在动叶叶根处要比中间截面处明显,而且随着漏气向下游的迁移,非定常效应也逐渐削弱.      

一种导管螺旋桨非定常干扰流CFD方法

基于雷诺平均Navier-Stokes控制方程和非结构网格旋转/静止滑移面技术,开展了导管与螺旋桨动/静部件干扰的非定常流及性能预测数值模拟方法研究。提出了静止与旋转域的多块网格布局策略及转/静滑移面技术,研究了导管壁面与螺旋桨桨梢间隙的网格布局形式,有效解决了螺旋桨旋转流及螺旋桨与导管干扰计算问题。典型敞开桨与导管螺旋桨算例的数值模拟结果与实验值符合一致,研究结果表明：所发展的导管螺旋桨CFD分析方法是实用、有效的。     

跨音速压气机级三维紊流流场数值模拟

在对跨音速压气机级的动／静双叶排中的三维定常紊流流场数值的模拟中，利用三阶高分辨率ＮＮＤ格式和ＬＵ－ＳＧＳ隐式推进迭代法，既保证了流场中激波的模拟质量和粘性流动特征的正确预估，也实现了求解过程的高效率。对某单级跨音速压气机的计算及其与实验数据的对比证实了本文方法的有效性。将计算推广至多级轴流叶轮机械的情况将会是十分简便的     

跨声速轴流风扇转子流场三维粘性数值分析

采用一种快速求解三维粘性流场的计算方法求解跨声速压气机风扇转子内部流场。该方法以ＬＵ型隐式格式和ＭＵＳＣＬ ＴＶＤ迎风格式为基础,结合壁面函数方法和简单的混合长度湍流模型,使用多重网格迭代加速收敛技术,对三维可压缩雷诺平均Ｎ－Ｓ方程进行求解。计算得到了ＮＡＳＡ Ｌｅｗｉｓ ６７跨声速、低展弦比轴流风扇转子的性能曲线,并重点分析了最高效率点工况和近失速工况下的内部流场。计算与实验结果的对比表明,此方     

旋成体大迎角侧向力的控制方法计算研究

提出了运用充气气囊控制旋成体大迎角非对称分离涡的思路,并通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程模拟了不同形状充气气囊作用下的流场,得到了充气气囊形状对旋成体侧向力的影响规律,计算结果表明充气气囊完全可以形成期望的流动干扰,为飞行器大迎角侧向力的控制探索了一条新的途径。