用虚拟黏性法构造Navier-Stokes方程黏性项的隐式格式

提出的虚拟黏性法是一种关于Navier-Stokes方程黏性项(黏性应力项和传热项)的隐式新方法。通过引入虚拟时间和虚拟黏性项,将隐式格式的构造大大简化,从而避免了大型复杂隐式差分方程组的常规求解。在虚拟时间推进过程中所需求解的方程组的系数矩阵是一个三对角矩阵,它具有计算简单且计算量小的优点。用模型方程和Navier-Stokes方程进行了数值仿真,研究各种参数对计算的影响,并在精度和效率上与显式方法进行比较,证实了算法的正确性和优势。最后分析了本文格式的适用范围。     

关于底部分离流的隐式算法

1.前言 用显式方法解Navier-Stokes方程组常受到稳定性对时间步长的限制,当把它用于计算高Reynolds数粘性流,即使是二维情况代价亦甚高。隐式类型方法遇到的一个主要困难是如何处理非线性对流项及压力项。计算表明用交替方向隐式算法结合对非线性项的拟线性化可以计算底部分离流场,这类方法比显式方法明显地加快了稳定过程,节省了较多机时。     

一种高效的隐式间断Galerkin方法研究

基于线性化处理,在时间方向上对间断Galerkin方程进行了隐式离散,从整体上对迭代过程进行了合理的优化,并以此求解了计算流体力学中的二维Euler方程。其中,LU-SGS方法得到了进一步的推广,被用来高效求解隐式格式对应的大型稀疏线性系统。数值实验表明,无论对于亚声速问题还是跨声速问题,该格式都是无条件稳定的;与显式的Runge-Kutta间断Galerkin格式相比,当残值下降到相同量级时,隐式格式所需的迭代步数和CPU时间均在很大程度上得到了减少。     

绕HERMES外形高超声速无粘流动的数值模拟

本文采用时间相关法和隐式推进迭代方法求解了绕ＨＥＲＭＥＳ外形高超声速无粘流动。将抛物型方程和代数方程相结合生成计算网格，既节省了网格生成的时间，又能得到较合理的网格分布。在时间相关法计算中，采用了显式ＮＮＤ格式；在隐式推进迭代计算中，采用了推广的隐式ＮＮＤ格式。     

流体网络节点残量修正算法的改进

为了提高流体网络求解的收敛性与稳定性,对网络节点残量修正算法进行改进。基于理论分析,提出使残量修正算法大范围收敛的初值赋值规律,并通过简单模型的数值分析加以验证;在节点残量修正显式迭代的基础上,提出隐式梯形迭代格式,扩大最大迭代步长。基于改进方法,以某典型航空发动机空气系统为例进行计算,获得空气系统各节点的压力、温度以及各支路的质量流量。该计算过程显示,相对于残量修正显式迭代,改进计算振荡大幅度减弱,收敛速度提高了80%以上。结果表明:改进算法有效地提高了流体网络求解的稳定性和收敛性。     

一种计算非定常二维流动的无网格算法

主要目的是发展一套求解非定常流动的无网格算法。计算区域的离散方面,提出了一种按区域进行填充布点的点云自动生成方法;发展了一种点云的运动技术来实现离散点云对物面边界的随体运动;在点云离散的基础上,采用最小二乘法求解矛盾方程的方法来求取空间导数,进而获得数值通量;采用双时间方法进行时间离散推进,其中物理时间迭代采用二阶隐式格式,伪时间迭代采用四步龙格一库塔显式格式,为了加速收敛,在伪时间迭代中采用了当地时间步长和隐式残值光顺等加速收敛措施。最后,利用本文算法模拟了NACA0012翼型和NACA64A010翼型的跨音速非定常流动,并将计算结果与实验测量结果进行了对比分析,验证了上述方法的正确性和实用性。     

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。     

一种适合迭代求解的反馈力浸入边界法

对Goldstein提出的反馈力浸入边界法进行了新的思考，改进了其对力源项的计算，拓展了该浸入边界法的使用范围。传统的反馈力浸入边界法在进行力源项的计算时，含有对速度误差的时间积分项，只能用于含时间项的Navier-Stokes （N-S）方程的求解，且在显式时间推进时有严格的时间步长限制。本文改进的方法则直接通过迭代过程中的速度误差求和来计算力源项，避免了时间相关的参数，使其不仅能适合非定常隐式时间推进，还能与不含时间项的定常N-S方程求解方法结合。为了验证改进方法的可靠性，对二维静止圆柱绕流、静止流体中的振荡圆柱、运动椭圆翼以及三维静止圆球的流场进行了计算，计算结果均与文献结果符合较好，表明本文改进的方法是有效的。得出的结论为：可以直接基于迭代次数进行反馈力源项的计算，改进的反馈力浸入边界法不仅可与非定常N-S方程结合，进行隐式求解，还可以与定常N-S方程结合用于定常流动的模拟，可将改进的方法运用到更多的流动问题当中。     

转子系统瞬态响应计算的精细迭代积分方法

提出了计算转子系统瞬态响应的精细迭代积分方法。采用精细积分法计算状态转移矩阵,可以得到齐次方程的精确解;结合轴承所提供的油膜力的特点,提出一种隐式积分法,允许使用较大的步长,并对各矩阵及向量适当分块,使非线形方程组的维数大为减小。此方法无条件稳定,可以保证较高的精度与效率。     

COIL化学非平衡流动的一种解耦方法研究

提出了一种计算氧碘化学激光器化学非平衡流动的解耦方法.求解二维可压缩非定常N-S方程及组分连续方程,计算氧碘化学激光器中的组分混合反应流场.空间离散格式为AUSM up格式,用四步龙格-库塔方法作显式时间推进.假设混合气体为热力学完全而热值非完全气体,化学反应模型采用有限速率反应模型.使用一种"点隐式"方法来处理化学源项的刚性问题.计算结果表明本文方法可以有效解决计算中的刚性问题,与现有隐式算法相比减少了大量的矩阵运算,公式推导简单,易于实现和改进.     

用三维N—S方程计算钝体绕流

本文采用有限体积方法求解三维低速Ｎ－Ｓ方程，研究了三维钝体和类汽车物体的绕流。用中心差分和迎风差分的混合差分格式构造代数方程组，采用了隐式和显式相结合的方法使主对角元素占优以提高迭代求解过程的稳定性。利用压力校正算法，采用面松驰迭代来实现方程的求解，湍流的计算采用了标准的双方程模型，本文给出了钝体和类小汽车外形的计算结果，钝体的计算结果和实验结果进行了对比，与其它方法的计算结果也进行了对比，它们之     

时间谱方法中的高效GMRES算法

研究了时间谱方法求解周期性非定常流场的计算效率,并对时间谱方法应用于周期性非定常流动的隐式求解方法进行探讨。当采样点数增加或减缩频率增大时,时间谱方法对应的雅可比矩阵对角占优性质迅速恶化,导致很多传统的迭代方法失效。为了解决上述问题,论文采用带预处理的广义极小残差(GMRES)算法来提高雅可比系数矩阵的计算收敛性。使用时间谱方法对NACA0012翼型强迫振荡算例进行计算,并与时域差分方法的计算效率和精度进行对比。研究表明在保证计算精度的同时,时间谱方法普遍可将计算效率提高一个量级左右。对于跨声速周期性流动,广义极小残差算法不论是稳定性还是收敛性都优于对称SGS迭代算法。     

用三维N－S方程计算钝体绕流

本文采用有限体积方法求解三维低速Ｎ－Ｓ方程，研究了三维钝体和类汽车物体的绕流。用中心差分和迎风差分的混合差分格式构造代数方程组，采用了隐式和显式相结合的方法使主对角元素占优以提高迭代求解过程的稳定性。利用压力校正算法，采用面松弛迭代来实现方程的求解。湍流的计算采用了标准的双方程模型。本文给出了钝体和类小汽车外形的计算结果。钝体的计算结果和实验结果进行了对比，与其它方法的计算结果也进行了对比，它们之间具有合理的一致性。     

模拟三维粘性流动的显式多重网格算法

提出一种模拟三维粘性流动的显小多重网格算法。该算法以Ｎｉ与Ｊｏｈｎｓｏｎ所提出的二维多重网格技术为基础,采用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ显式格式结合空间变时间步长推进,分别在细、粗网格层上对雷诺平均Ｎ－Ｓ方程进行交替求解。在多重网格计算过程中,以最细网格层上新、旧迭代解来近似通量的时间导数。建立了新的多重网格迭代格式。该格式避免了Ｎｉ的原型格式对Ｊａｃｏｂｉａｎ矩阵的附加计算。从而节约了大量机时,较大程度地提高了收敛速度。应用所建立的算法模拟了非轴对称二元收缩、扩张长喷管的内部流动,并同实验数据进行了对比,两者相吻合,表明所建立的算法是可靠的。     

气动计算中一个简单有效的差分格式

本文采用算子附加修正方法,提出了一个气动计算中简单而有效的差分格式。此差分格式的特点是保持原显式格式的精度,计算过程有显式格式的简单,又有隐式格式的特点,即对于任意步长此格式都是稳定的。本文利用此格式求解了N-S方程,给出了二维激波与边界层干扰的分离流计算结果,并与MacCormack的隐式格式进行了比较。计算结果表明,本文提出的格式与MacCormack隐式格式相比,大大简化了计算过程,节省了计算机时。     

隐式通量分裂线松驰迭代法求解平面叶栅无粘绕流问题

本文工作是在 Mac Cormack通量分裂格式 [2 ] 基础上发展的一种有限面积通量分裂隐式格式 ,其特点是在求解隐式离散化方程时 ,采用往返扫描一次的 Gauss- Seidel线松驰迭代方法 ,避免了对时间步长的任何限制。为提高定常解精度 ,格式的显式右端项采用二阶精度的离散。在数值求解跨音速涡轮平面叶栅问题中 ,对壁面边界作了较仔细的隐式处理。数值计算表明本方法保持了 Mac Cormack格式具有的高收敛速率 ,(约 30个时间步即可达到定常解 )而每一时间步计算量约减少一半。数值结果与实验结果符合得很好。     

再人体复杂外形无粘流场数值计算研究

本文在文[1,2,3]的基础上研究了非定常Euler方程的推进迭代方法,并将无波动、无自由参数的耗散差分格式(下称NND格式)发展为隐式、迎风格式,用以计算有差曲控制翼的再入复杂飞行器的育攻角、有侧滑角的超声速无粘绕流流场。其结果是准确的。本文的方法具有以下特点: 1.可以在同一计算程序中实现亚跨超流场的计算:在超声速区域,采用推进技术;在亚跨声速区,则自动选择推进迭代求解技术。 2.NND格式不仅具有公式简单,无自由参数的特点,而且过激波时满足熵条件,不会产生非物理解,也不发生振荡。 3.隐式差分格式的无条件稳定和Gauss-Seidel迭代的快速收敛,计算省时。 本文的方法曾用于烧蚀头部凹陷外形和航天飞机简化外形的计算,能自动选择迭代和推进区域。可以预言,如计算机条件许可,本方法可以用于大攻角的无粘流场计算。     

不可压扰动方程高精度对称紧致差分数值解法及应用

从粘性不可压扰动方程一阶改型形式出发,对其实现了高精度对称紧致差分离散,就导出的扰动线性特征值问题给出了一个高铲双重迭代局部解法,以相同精度将特征值和特征函数同时得到。通过不可平面Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ流时间稳定性算例详细对比显示了算法良好的谱分辨能力和较弱的网格依赖性,并结合复矩阵广义特征隐式移ＱＺ算法获取了一个 扰动特征值谱计算结果。     

用隐式高精度间断伽辽金方法模拟可压层流和湍流

为了提高隐式高阶间断伽辽金数值方法的稳定性,发展了一种基于解析精确Jacobian矩阵的GMRES隐式方法,用于求解可压缩层流和湍流问题。在GMRES的求解中,无黏通量和黏性通量的Jacobian矩阵采用链式法则解析精确求解,并用于线性系统方程的LU-SGS预处理和GMRES矩阵矢量生成;与此同时,对修正的负Spalart-Allmaras湍流模型的生成源项进行了修正,以避免隐式化求导时出现非物理解。通过典型层流和湍流算例对发展的方法进行了验证,研究结果表明:基于精确Jacobian矩阵的隐式GMRES方法,不仅能够提高隐式高精度间断伽辽金方法计算的稳定性,而且还能够提高计算效率。     

热传导方程有限差分区域分裂：显—隐算法的注记

把Rodrigue和Wolitzer（1995）提出的一种新型显格式应用于热传导方程有限差分区域分裂算法的内边界点,并得到这类显—隐算法的收效性结果。新算法的逼近阶较好,而且较纯新型显式方法可以节省一倍左右的计算量。