有限体积格子Boltzmann方法用于近空间连续流区绕流模拟

针对航天器再入解体形成残骸碎片的近空间绕流计算问题,拓展了格子Boltzmann方法在可压缩流动模拟的能力。引入有限体积隐式格式求解耦合双分布函数格子Boltzmann模型方程及采用圆函数为基础构造的D2Q13离散速度模型;引入IMEX-RK格式进行了时间项离散解决模型方程的源项刚性问题;对Riemann问题、平板双马赫反射问题、RAE2822翼型跨声速绕流等近空间连续流区、可压缩典型案例进行了数值模拟。通过比较分析,初步验证了耦合双分布函数有限体积格子Boltzmann方法对连续流区、可压缩流动的模拟能力;进一步开展了方柱形解体残骸的超声速绕流模拟,得到与N-S方程计算结果吻合一致的绕流结果,证实经改进的耦合双分布函数有限体积格子Boltzmann方法对解体残骸碎片绕流问题具有较好的模拟能力。     

高可扩展格子Boltzmann方法

格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)是计算流体力学中的一种常用方法.由于LBM中的格点仅与相邻的格点间存在数据传递,因此具有良好的并行性.LBM并行算法中的数值通信部分通常采用的是格点上的微观量——分布函数.每次传递的分布函数具有多个不同的速度方向,为了进一步减少LBM并行算法的通信开销,从格子 Boltzmann方法的物理特性以及相应的串行程序为切入点,深层次地挖掘可并行的因子,设计了专门用于通信面的类,使用数量较少的宏观量进行通信,降低了通信所占的比重,缩短了通信时间,提高了加速比和效率.实验表明,在4 096个计算核上依然有良好的加速比和效率.     

求解常微分方程组的小波技术

研究发展一种新的求解常微分方程的数值方法—快速小波配置法 (FWCM) ,该方法与传统的时间推进或频率区间方法完全不同。快速小波配置法是将任意函数展开为小波基函数 ,用快速离散小波转换技术 (DWT) ,有效地构造常微分方程的近似解。计算过程中 ,在小波展开层次和自变量区间两个不同方面采用了多层自适应和多区间自适应处理技术 ,提高了计算过程的稳定性和收敛性 ,并且具有均匀的误差分布。特别是在常微分方程的长时间解方面 ,与Runge-Kutta方法比较 ,具有稳定的长时间性态。     

跨流域高超声速绕流Boltzmann模型方程并行算法

通过对Boltzmann方程碰撞积分进行模型化处理,提出了统一描述各流域复杂高超声速流动输运现象的气体分子速度分布函数控制方程,使用离散速度坐标法对分布函数方程所依赖的速度空间离散降维,构造出直接求解分子速度分布函数的气体动理论耦合迭代数值格式,研制了复杂飞行器高超声速绕流气动热力学计算模型。基于对气体动理论数值计算方法内在并行性、变量依赖关系、数据通信与并行可扩展性的分析研究,使用区域分解并行化方法提出了新型的气体动理论数值算法并行方案;研究了数据的并行分布与并行执行特征,开展了大规模的并行化程序设计,构造了可稳定运行于成千上万CPU的高性能并行算法,用以模拟各流域复杂飞行器的高超声速绕流问题。以稀薄流到连续流环境下不同Knudsen数、不同马赫数的可重复使用类球锥卫星体及翼身组合复杂飞行器等气动力、热绕流问题为研究对象展开大规模并行计算,并进行算法验证,所得计算结果与理论分析、直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)的模拟值及有关实验数据吻合较好,揭示了飞行器跨流域高超声速下的复杂流动机理与变化规律,提供了一条能够可靠模拟高超声速飞行器跨流域气动力及热问题的统一的算法应用研究途径。     

稀薄流到连续流的气体运动论统一数值算法初步研究

从非线性模型Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方程出发,引入简化速度分布函数、使用离散速度坐标法对速度空间进行离散、降维,去掉分布函数对速度分量的连续依赖性;采用时间分裂法,将简化速度分布函数松驰变化方程分解为源项碰撞变化方程、对流运动方程,进行耦合计算,应用ＮＮＤ耗散差分方法直接模拟气体分子速度分布函数;发展离散速度数值积分法,通过宏观取矩获取物理空间各点的流动参数,从而建立一套能有效模拟各流域气动问题的简化的     

有侧壁干扰的机翼半模型风洞实验的N-S方程数值模拟

应用三维可压、雷诺平均Navier-Stokes方程数值模拟了机翼半模实验风洞侧壁干扰和三维机翼半模与安装侧壁结合部流场。计算采用中心有限体积多步Runge-Kutta时间步长格式,将Baldwin-Lomax两层代数紊流模型扩展应用于三维拐角区流动。用本文方法计算了3个算例 ,并与国外的有关实验数据进行比较,计算和实验吻合良好。     

N-S方程有限分析数值研究

 本文将有限分析方法用于曲线座标系上紊流N-S方程的数值计算。分别计算了单列和串列叶栅内部流场,计算中采用了k-ε紊流模型和壁面函数。计算结果与试验结果相比较,吻合程度令人满意。有限分析方法在网格单元上对N-S方程进行线化处理,以解析边界条件作为约束,得出解析解,在解析解基础上构造离散代数方程。有限分析方法的最大特点是可以适应对流速度大小和方向,自动调整格式系数,因而具有数值扩散小和稳定性高等优点。     

稀薄流到连续流的气体运动论统一算法研究

通过引入碰撞松弛参数和当地平衡态分布函数对BGK模型方程进行修正，确定含流态控制参数的各流域均适用的气体分子速度分布函数简化控制方程。发展和应用离散速度坐标法于气体分子速度空间，利用一套在物理空间和时间上连续而在速度空间离散的分布函数来代替原分布函数对速度空间的连续依赖性。基于非定常时间分裂数值计算方法和无波动、无自由参数的NND耗散格式，建立直接求解气体分子速度分布函数的气体运动论有限差分数值方法。发展可用于速度空间宏观取矩的离散速度数值积分方法，获取物理空间各点的流动参数，由此发展一套能有效模拟各流域三维绕流问题的气体运动论统一算法。研究气体运动论数值算法所适合的并行方案，基于统一算法的HPF并行实现，建立一套能有效模拟不同流域复杂外形体绕流的HPF并行算法软件。通过对不同Knudsen数的一维、二维、三维气体绕流问题进行数值计算表明，计算结果与有关实验数据及其它途径得到的研究结果吻合较好，证实了本文发展的统一算法在求解稀薄流到连续流不同流域复杂绕流问题方面的可行性。     

非结构变形网格和离散几何守恒律

数值模拟流固耦合问题或多体分离问题的非定常流动时,常采用基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）方程的有限体积法,涉及到变形网格和离散几何守恒律。在对变形网格算法进行综述时,按照构造思想分为物理比拟、椭圆光顺、插值、运动子网格（MSA）及其混合法共5类,分别介绍了基本原理、研究现状和适用范围,通过算例比较表明,径向基函数（RBFs）和运动子网格相结合的混合方法既有很好的变形能力,也有较高的计算效率,值得进一步发展和推广。在介绍了离散几何守恒律（DGCL）概念之后,采用二维几何模型进行分析,指出其机理是离散过程中体积增量与网格面元扫过的体积不相等造成的,把目前国内外应用的算法分为面积修正法、给定速度的面积修正法、速度修正法和体积修正法共4类,对其应用范围和存在的问题进行讨论,认为提出的体积修正算法既可以保证流固界面条件,也可以用于时间多层格式。     

NACA4412翼型低速绕流数值计算中湍流模型对比

使用Spalart-Allmaras(S-A)、SSTk-ω、Gao-Yong 3种湍流模型对NACA4412翼型低速绕流进行了数值计算,研究了尾迹流动松弛效应。对流项采用Roe格式离散,扩散项采用二阶中心格式离散,离散后的控制方程用多步Runge-Kutta显示时间推进法求解。计算中对翼型尾缘流松弛效应进行了分析,比较了翼型表面压力系数、速度剖面、雷诺应力等的分布,3种湍流模型总体上能够较好地模拟NACA4412翼型低速绕流。SSTk-ω模型对流动细节及升力系数计算最好,Gao-Yong模型对翼型平均速度剖面及雷诺剪切应力分布计算最准确。     

湍流模型离散精度对数值模拟影响的计算分析

基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和结构网格技术,采用五阶空间离散精度的加权紧致非线性格式(WCNS),通过改变物面法向第一层网格间距,开展了剪切应力输运(SST)两方程模型不同离散精度的数值分析。主要目的是为高阶精度格式在复杂外形上的应用提供技术支撑。计算模型包含了低速NLR 7301两段翼型和高速RAE2822翼型,研究内容主要包括湍流模型的二阶精度离散和五阶精度离散两种方式对收敛历程、边界层湍流黏性系数分布、边界层速度分布、压力系数分布以及气动特性的影响。在与试验数据对比的基础上,计算结果表明:对于不同的第一层物面法向网格间距,湍流模型离散精度对低速绕流计算结果有比较明显的影响,对于高速小迎角附着流动计算结果影响不明显;相对于湍流模型二阶精度离散,湍流模型高阶精度离散网格敏感性较弱,具有更高的数值模拟精度,但收敛性略差。     

用双流体模型模拟湍流两相流场

首先针对颗粒浓度在两相流动中的重要性，建立了颗粒体积浓度方程，阐述了颗粒浓度在求解过程中的特点及颗粒体积浓度方程在计算方法中的贯穿。其次计算了沙层上的稀相可压气固两相流、直管内的不同压液固两相流及叶片扩压器中的密相可压力固两相流的流动，发现了颗粒浓度两种截然不同的分布，并验证了用不可压或稀相的模型来计算可压或密相的模型会带来误差，说明了在计算可压密相两相流动时，可压及密相的因素必须考虑到。     

一种模拟喷管二维流场的新方法

采用ＳＩＭＰＬＥ方法对固体火箭发动机喷管进行了纯气相流场的数值模拟。推导了建立在同位网格之上利用协变物理速度分量为计算变量的离散方程，采用协变物理速度分量推导压力修正方程，对密度采用一阶迎风格式插值，将ＳＩＭＰＬＥ方法扩大到计算可压流动。计算结果表明：本方法计算精度高，收敛速度快，程序编写简单。     

基于SST k-ω的超声速气膜冷却湍流模型温度修正

针对现有湍流模型无法准确预测非等温超声速气膜冷却行为的问题,在现有SST k-ω可压缩修正模型基础上,以总温梯度为变量,完成了湍流模型的温度修正,并首先通过非等温可压缩自由剪切流动实验数据初步验证了其修正效果,在此基础上对温度修正模型预测超声速气膜冷却传热的准确性进行了验证。结果表明,基于剪切层总温变化的湍流模型修正效果显著,可准确预测大温度梯度下的自由剪切流动轴向速度分布;修正模型计算得到超声速气膜冷却壁面热流分布与对应的实验结果吻合;当用于剪切层温度大梯度变化的超声速气膜冷却数值模拟时,温度修正后的SST k-ω模型与可压缩修正的k-ω模型、SST k-ω模型相比,具有显著优越性。     

机械能方程的耗散积分解析表示式

发展了二维可压湍流边界层的耗散积分方法。采用两层涡粘性模型和速度剖面的指数律导出机械能方程的耗散积分解析表示式。它是局部摩阻系数、形状因子,Ma数和基于动量厚度的Re数的函数。该方法运算简捷,使用方便,大大简化了湍流边界层计算。和其他理论结果相比,本文结果更接近于实验数据。     

考虑分子转动自由度的离散统一气体动理学格式

离散统一气体动理学格式（DUGKS）是一种适用于全流域模拟的有限体积方法。之前的研究考虑了分子平动自由度，验证了DUGKS在多尺度问题中的准确性及稳定性。本文基于Rykov模型方程构造了离散统一气体动理学格式，并采用Landau-Teller-Jeans转动能量松弛模型，可用于双原子气体从连续流动到稀薄流动的多尺度问题计算。测试了激波结构、超声速平板绕流以及超声速圆柱绕流等非平衡流动问题，计算结果显示出双原子气体分子中存在平动自由度与转动自由度对应的能量交换过程，并与统一气体动理学格式（UGKS）、直接蒙特卡罗（DSMC）方法的解以及实验值吻合较好。     

一种面向工程的气动弹性剪裁技术

以COMPASS为平台研究了蒙皮铺层主方向角对机翼气动弹性的影响,以及采用不同形式的多项式函数表示蒙皮厚度的方法,分析了设计变量的敏度计算方法,并运用优化的方法对两个复材机翼结构进行了位移、频率、发散和颤振速度约束下的剪裁设计,获得了结构响应与主方向角的变化曲线和机翼表面的厚度分布等高线.研究结果表明本方法拓宽了复材机翼的设计手段,具有广阔的应用前景.     

喷嘴尾迹引起透平动叶激振力的算法

本文构造并数值试验了一种计算可压不定常流场的有限差分格式。提出相应于喷嘴尾迹的透平动叶激振力的一种算法。计算结果示出,喷嘴尾迹流分布形式与相应的动叶激振力分布形式不同,后者与叶型有关。     

多股平行非等温受限射流数值研究

本文对高大型空调建筑中常用的多股平行非等温射流进行了数值研究。采用κ-ε湍流模型,以速度及压力为参变量,用SIMPLE法求解偏微分方程组,从而获得了速度、压力、温度场及湍流能量、湍流能量耗散率分布,并进行了实验验证。本文还利用数值计算得到的丰富信息,对多股平行非等温射流流动规律及温度分布作了进一步研究,并回归出相应的计算公式,弥补了实验研究的不足。     

CFD技术在带动力飞机气动设计中的应用

应用数值模拟的方法,研究了飞机带动力发动机的流场模拟,基于此计算分析了其性能特性.采用基于雷诺时均的N-S方程,动力方程中的雷诺应力通过SST二方程湍流模型和自动壁面处理计算;同时,采用守恒隐式有限体积法.离散方程使用有限高精度对流程序类似于Barth和Jesperson进行计算.质量流动通过Rhie和Chow算法压力-速度耦合进行计算.