用隐式多重网格法计算实用外形无粘绕流

网格展弦比的好坏严重地影响多重网格的效率。文中细致地处理了多重网格算法的细节,了网格展弦比的影响,发展了一种计算实用外形绕流的隐式多重网格解法,计算效率提高了５倍。     

一种高效的壁面距离计算方法

采用CFD(Computational Fluid Dynamic)技术进行湍流效应数值模拟时,经常需要计算流场网格点到最近壁面的距离。当网格规模很大,特别是针对一些动网格问题,壁面距离的计算量很大且费时,影响整个流场求解效率。本文对壁面距离计算的直接算法和基于二叉树技术的ADT(Alternating Digital Tree)快速算法进行了对比分析和研究,提出了一种高效的、基于方盒切割技术的快速计算方法,并采用不同外形的CFD计算网格对该方法进行了验证。计算结果表明,新方法的壁面距离计算效率明显高于直接算法和ADT算法,并具有较好的鲁棒性和通用性,可以便捷地移植到现有的CFD计算程序中,从而提高整个流场的数值计算效率。     

基于两级直角网格结构的三维DSMC算法研究

结合直角网格计算的高效率以及表面非结构网格对飞行器几何外形的精细描述,本文建立了基于两级直角坐标网格结构的DSMC数值模拟算法。一级网格为计算区域离散后的背景网格,二级网格为独立的碰撞网格和取样网格,是在背景网格的基础上根据流场性质的变化经过自适应后获得的亚网格,碰撞分子对在亚网格内选取,以保证选取的分子是"最相邻的"。计算的Orion飞船外形从自由分子流到稀薄过渡流的气动力系数,与DS3V和DAC软件计算结果的一致性非常好,验证了本文算法的可靠性和有效性。同时对过渡区的流动特征和表面气动参数的分布规律进行了分析。     

基于非结构网格有限差分法的扎染算法

应用有限差分法时遵循贴体坐标系下离散等价方程的离散准则,格式中仅用到当地网格点的坐标变换系数,据此可以构建新的非结构网格有限差分法,数值算例表明在空间二维情况下用连接离散点的3条网格线构造出来的一阶迎风格式可以稳定收敛。把这种非结构网格有限差分法推广到三维,在4条网格线基础上进行离散计算,然后提出一种局部区域多重网格、重复计算的新算法。首先在包含物体的整个区域采用直角坐标系下的均匀网格进行计算,然后消除物体内部点对物体外部流场区域的影响,最后在物面和直角网格之间很小的局部区域填补非结构网格进行计算,计算过程类似于中国传统的扎染工艺。处理流场内存在曲面物体边界问题时,相较于常规结构网格差分算法,扎染算法尽管在计算中包含需要特殊处理的无用网格点,也存在重复计算的局部区域,但是以这些计算能力的浪费为代价,换取了编程简便、内存量小、网格生成快捷、易于扩展网格规模等优势。定性分析表明,这种扎染算法非常适合研制大规模并行计算,建立的计算流体力学应用软件可以充分发挥数十万至百万处理器核心的超级计算机的效能。     

ALE方法中一种新的二阶保界守恒重映算法

在用拉格朗日格式求解流体力学问题时,随着时间的推进,计算网格会扭曲变形,影响格式精度,甚至导致计算中断。因此,要在网格变形较大时进行网格重分和物理量重映,以保证网格质量和格式精度。针对间断有限元方法求解流体力学问题的二阶拉格朗日格式,给出了一种守恒重映算法。该重映算法包括两步:第一步是用已有重映方法计算新网格上的单元平均值,并用相应修补算法对单元平均值进行调整,保证单元平均值的保界性;第二步是由已得到的新单元平均值重构出新网格上分片一次多项式,再使用Van Leer限制器对新网格上的梯度进行限制,使之不出现新的极值。最后用数值算例表明了该重映算法的保界性和二阶收敛性。     

基于图像处理思想的自适应网格技术

为了提高激波和旋涡等复杂流动现象的捕捉精度和计算效率,基于图像处理的思想,研究了非结构网格的自适应加密和稀疏算法.将流场计算网格与图像像素类比,借鉴图像处理的方法,提出了一种流场自适应区域的分割算法.该方法能自动对自适应区进行分层,中间区域网格可以达到原来多次自适应的效果,而且提高了生成网格的质量.将算法嵌入到流场求解器中,根据流场求解结果对网格进行自适应,并使用算例进行了验证.     

基于无网格算法的化学非平衡流数值模拟

为了验证AUSMPW+格式在无网格算法的精度等以及无网格算法能否用于复杂化学非平衡流数值模拟中,首先将AUSMPW+格式推广到无网格算法中,给出了AUSMPW+在无网格算法中的具体形式。其次,将无网格算法应用于带化学反应的多组分气体Euler方程的求解,给出无网格条件下求解化学非平衡流的具体过程。最后,对NACA0012跨声速绕流场、高超声速弹丸绕流场、氢气/氧气诱导燃烧流场、球锥高超声速绕流场、楔体斜爆轰流场进行了数值模拟。数值模拟结果与相关文献计算结果和实验结果吻合较好,表明了AUSMPW+格式在无网格算法中表现较高精度。同时,采用无网格算法能较好地模拟复杂化学非平衡流场,正确分辨复杂的物理现象,为化学非平衡流数值模拟提供一种新的算法,拓宽了无网格算法的应用范围。     

三维直角叉树切割网格Euler方程自适应算法

基于叉树数据结构，实现了一种用于三维直角叉树切割网格的自适应算法，包括对几何外,形以及对流场计算的自适应网格加密技术。在初始网格的生成过程中，根据相邻网格的物面法向向量间的差值，进行针对外形的自适应网格加密；在流场计算中，根据相邻网格间选定物理量梯度的变化，进行针对流场的自适应网格加密。详细地描述了三维直角叉树切割网格的生成过程，以及以任意网格的切割细分算法。在自适应过程中，分别采用了八叉树和全叉树的数据结构，八叉树是基本的数据结构，而全叉树的采用，使网格具有了各向异性的特征，从而大大的减少了自适应网格的数量。采用中心有限体积法，求解Euler方程，并运用上术方法，完成了对外形和流场的逢适应网格加密算法，获得了较好的数值计算结果，证明了自适应算法的正确性，体现了直角叉树切割网格自适应技术的有效性和实用性。     

模拟高度复杂流动的自适应网格算法

提出一种基于对等弧分布律进行扭转修正的自适应网格算法。该方法将三维网格系统分裂为３个单方向自适应网格子系统,在计算中与主控方程的求解格式相耦合,交替地使用。应用所构造的算法结合ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ显式格式对喷流／绕流干扰流场进行了雷诺平均Ｎ－Ｓ方程模拟,给出了清晰的剪切层与激波波系结构。计算结果表明,该自适应网格算法可较大程度地提高ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ格式的分辨率。     

隐式无网格算法及其应用研究

本文的主要目的在于研究求解Euler方程的隐式无网格算法，并应用于复杂的流场计算。采用无网格算法，计算区域用点云离散代替通常的网格划分；计算点上的空间导数，用当地点云上引入的二次极小曲面逼近。求解的Euler方程用隐式时间后差离散，结合用Roe的近似Riemann解确定通量，并用LU－SGS算法分步计算，数值求解了单翼型或双翼型模拟的复杂绕流。     

二维折角管道内超声速流动的多重网格计算

本文应用Euler模型和隐式TVD格式计算了二维折角管道内的超声速流动问题,为了有效地模拟激波和膨胀波系的相互干扰及壁面的反射,本文试将多重网格法和TVD格式结合起来进行数值求解。考虑到目前绝大部分文章采用V-循环多重网格法,我们对多重网格法中的几种多层次循环形式(V-循环、W-循环)进行了比较性的数值计算,旨在从中发现合适的多层次循环求解的形式,以期充分发挥多重网格法在Euler方程求解过程中的效益。同时,本文也是对多重网格法和TVD格式结合求解的一次初步尝试。     

多重网格法求解二元跨音速欧拉流

 近年来,采用时间相关欧拉方程或N-S方程求解跨音速流得到了迅速发展。为了获得二元或三元复杂形体正确的表面气动参数和足够高分辨率的流场物理特性,必须采用十分细密的网格,因而导致计算时间成倍增长。为此,除继续发展各种差分格式,探讨各种自适应网格技术外,运用多重网格技术加速收敛过程得到了国外普遍关注并取得了一定的成功。国内也已有采用多重网格法解跨音速欧拉流的文章,然而均局限于两重网格的计算。为探索多重网格法和焓阻尼技术对加速收敛的作用,我们以NACA0012翼型的跨音速流动为例,采用MacCormack两步显式格式进行了数值实验。     

多重网格法求二元跨声速流在一种半自适应网格上的欧拉解

本文采用MacCormack两步显式格式,用有限体积法求解了二元跨声速欧拉流。推导了物面边界条件,采用了特征远场边界条件及远场环量修正。利用保角变换方法生成O型贴体网格,并修改得到了一种在激波处局部加密的半自适应贴体网格。采用多重网格及焓阻尼加速收敛技术计算了NACA0012翼型的跨声速气动特性,得到了十分满意的收敛过程和计算结果。     

非结构聚合多重网格法流场数值模拟研究

 在非结构网格上应用聚合多重网格技术来加速 Euler方程的收敛过程。设计了一种高效率的网格聚合方法。采用四重网格,在每一层网格上采用有限体积法进行计算。通过对多段翼型绕流的数值求解验证了多重网格加速收敛的高效性。     

用多重网格方法计算旋翼跨声速无粘流场

发展了一种加快悬停旋翼无粘流场计算收敛速度的多重网格方法。由于悬停旋翼流场中存在不可压区域，同时旋翼尾涡系统的发展需要较长的时间，使得旋翼流场的收敛速度远低于固定翼流场，因此研究旋翼流场的多重网格算法具有重要意义。空间离散格式采用了中心有限体积方法，时间推进应用了五步龙格-库塔法。采用3层网格的V循环，对一跨声速悬停旋翼无粘流场进行了数值计算。计算结果表明：尽管多重网格方法对旋翼流场的加速收敛作用不如对固定翼流场的加速收敛效果，但是多重网格方法仍然可以显著地加快旋翼流场收敛。     

二元矢量喷管内流特性的数值模拟

应用多重网格ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ显示格式对不同矢量角下二元喷管的流动进行了模拟分析。计算时,在细网络上采用了雷诺平均Ｎ－Ｓ方程和Ｋ－ε湍流模型方程;在粗网格上则采用Ｅｕｌｅｒ方程。数值计算给出了较清晰的流谱。壁面压力分布的计算值也与实验结果吻合。通过计算结果分析了喷管几何参数对流场的影响。所得结果显示出多重网格算法高效可靠,可用于开展参数研究     

不同矢量偏角下二元喷管内流特性的数值研究

应用多重网格MacCormack显式格式对不同矢量角下二元喷管的内部流动进行了模拟分析。计算时, 在细网格上采用了雷诺平均N-S方程与k-ε湍流模型方程;在粗网格上则采用Euler方程。数值计算给出了较清晰的流谱, 壁面压力分布的计算也与实验结果相吻合。通过计算结果分析了矢量喷管几何参数对流场的影响, 并对矢量喷管的推力特性进行了数值研究。      

悬停旋翼无粘流场数值模拟中的多重网格方法

发展了一种基于不同空间离散格式的多重网格算法,并应用于悬停旋翼无粘绕流的Euler方程数值模拟。由于悬停旋翼流场中存在不可压区域,同时旋翼尾涡系统的发展需要较长的时间,使得旋翼流场的收敛速度远低于固定翼流场,因此研究旋翼流场的多重网格算法具有重要意义。空间离散采用了Roe s FDS格式和Jameson中心有限体积格式,时间推进应用了五步Runge-Kutta方法。采用多重网格V循环方式,对一跨声速悬停旋翼无粘流场进行了数值计算。计算结果表明:多重网格算法可以显著加速悬停旋翼无粘流场的数值计算收敛速度;无论在激波分辨率还是在计算精度上,Roe s FDS格式都优于JST格式。     

Euler方程的自适应多重非结构网格计算

介绍一种基于四面体网格的多重网格技术,用于求解三维Euler方程定常解,具有十分明显的加速收敛效果。求解Euler方程的基本算法采用有限体积中心差分格点格式。多重网格技术采用一组几何上相互独立的粗细不同的网格。流动变量、余量和修正量在相邻粗细网格间的相互传递通过线性插值实现。采用自适应技术对网格进行加密,可以获得较优的网格,并作为一套细网格,进行多重网格计算。数值实验表明本文自适应多重网格法十分有效。