低速预处理方法在悬停旋翼模拟中的应用

 在可压缩方程的求解当中引入时间导数低速预处理技术,构造了能够同时处理低速和高速流场的统一数值方法,采用该方法对Caradonna-Tung旋翼的亚声速悬停状态进行了模拟,其中方程采用在旋转坐标系下求解,网格采用重叠网格进行模拟。数值结果表明,在加入低速预处理方法以后,流场的收敛速度得到了明显提高,更为适合对下洗速度场等细节的模拟;另外,在加入低速预处理以后,方程的各个特征值都处在同一量级,避开了因特征值差异带来的数值耗散过大的问题,提高了数值计算的精度。     

Numerical simulation of multi-dimensional inviscid compressible flows by using TV-HLL scheme

This paper deals with the numerical solution of inviscid compressible flows. The threedimensional Euler equations describing the mentioned problem are presented and solved numerically with the finite volume method. The evaluation of the numerical flux at the interfaces is performed by using the Toro Vazquez-Harten Lax Leer(TV-HLL) scheme. An essential feature of the proposed scheme is to associate two systems of differential equations, called the advection system and the pressure system. It can be implemented with a very simple manner in the standard finite volume Euler and Navier–Stokes codes as extremely simple task. The scheme is applied to some test problems covering a wide spectrum of Mach numbers, including hypersonic, low speed flow and three-dimensional aerodynamics applications.     

低速叶型气动反问题设计方法

 低马赫数不可压流动中声速与流速大小差别巨大,采用基于可压缩流动控制方程的计算格式求解流场时,由于数值黏性的污染,解的精度低且收敛性差,通常可使用时间预处理技术来解决这一问题。在基于控制理论的优化方法中,共轭方程的Jacobian矩阵和流动方程的系数矩阵相似,因而在低流动马赫数下,求解共轭方程存在着与求解流动方程相同的数值污染和数值刚性问题。首先推导了带有预处理的Roe格式,然后发展了适合全速度流动的共轭方程求解方法,最后选取翼型和叶栅两个典型算例进行了验证。计算结果表明所发展的方法可很好地用于低马赫数时的气动反问题设计。     

基于CFD技术的螺旋桨气动特性研究

通过求解绝对坐标系下的雷诺平均Navier-Stokes方程数值模拟螺旋桨侧流黏性绕流,计算螺旋桨非定常气动特性.为了保证时间精度和提高计算效率,采用含牛顿型LU-SGS(lower-upper symmetric-Gauss-Seidel)子迭代的全隐式双时间法并引入多重网格技术.为了描述桨叶的相对运动,采用运动嵌套网格技术.对于轴流状态,计算结果与实验值吻合良好;对于侧流状态,与工程算法1P(once-per-revolution)载荷法进行了比较,验证了方法的有效性.应用该方法计算螺旋桨在不同来流偏角下的周期性气动特性,可有效地用于螺旋桨的设计.      

可压缩多介质流动问题的高精度数值模拟方法

在可压缩流动问题的数值模拟领域,激波的高分辨率计算已取得重要进展。但是包含物质界面的可压缩多介质流动的数值模拟还存在诸多数值挑战,主要表现为界面处数值耗散过大和非物理振荡等问题。界面处流体性质的不连续性是造成可压缩多介质流动问题物理建模与数值方法困难的主要原因。为了建立一套高效的可压缩多介质流动问题的高精度数值模拟方案,本文从数值框架的选择、非守恒方程相容离散、高精度有界格式构造、界面压缩、界面-单介质分区计算方法等多个维度出发,综述近几年我们在可压缩多介质流动问题高精度数值模拟方法方面的研究进展。通过上述多个维度的工作,我们建立了一套适用于可压缩多介质流动问题的低耗散、基本无数值振荡的高精度欧拉数值方法,并成功应用于可压缩多介质大变形流动和界面不稳定性诱导湍流混合等问题的数值模拟。相关数值方法研究成果已集成至武器物理等领域工程数值模拟软件中,为相关工程任务提供了重要技术支撑。     

不同马赫数的无粘和粘性流动高阶精度隐式计算方法

 应用隐式时间推进法对不同马赫数的无粘和粘性流动进行数值分析,给出了基于预处理方法的高阶精度隐式求解方法。方程离散采用改进的高阶精度对流迎风分裂格式。该方法通过求解曲线坐标系可压缩Euler和 Navier-Stokes方程,对低速到超音速范围内的无粘和粘性流动的典型问题进行了数值分析。计算结果与文献的数值结果或实验数据对比分析表明,该方法对低速到超音速范围内的无粘和粘性流动问题进行数值分析是可行而有效的。     

跨音速大迎角Euler方程数值分析

应用有限体积法离散三维Euler方程,选用三步显式格式进行时间推进求解;并通过当地时间步长、残值光顺、焓修正等方法加速收敛。对一维波动方程的von Neumann稳定性分析说明这种三步格式的最大Courant数是2。对三角翼跨音速大迎角流动的数值分析表明文中的三步格式及焓修正方法优于人们经常采用的四步、五步格式以及焓阻尼技术。     

微可压缩模型(SCM)与可压缩N-S方程数值计算对比研究

本文开展了微可压缩模型与可压缩N-S方程之间的对比研究.通过对层流平板边界层和椭球高雷诺数湍流绕流的数值模拟,比较了微可压缩模型和可压缩N-S方程之间的计算精度和效率.计算结果表明,微可压缩模型和可压缩N-S方程具有相同的计算精度,但是微可压缩模型具有更高的计算效率,内存和CPU时间都节省20%左右.     

预处理AUSM+格式在全速域反应流模拟中的应用

对预处理修正的AUSM+(advection upwind splitting method+)格式进行了详细讨论, 并将其应用于全速域范围内的化学反应流场数值模拟.基于多组分Navier-Stokes方程, 结合控制方程时间导数项的预处理, 采用预处理修正的AUSM+格式发展了一种模拟全速域范围内化学反应流场的有效算法.验证算例包括超声速、亚声速以及极低速情形的化学反应流场, 计算结果表明基于预处理AUSM+格式发展的算法能够有效地用于全速域范围内化学反应流动问题的模拟.      

模拟二维周期性非定常流动的谐波分析方法

介绍了一种从频域出发模拟二维周期性非定常翼型绕流的数值方法.考虑到很多工程中遇到的非定常流动问题都是周期性的,因此非定常流场中的守恒变量可以展开为傅立叶级数,其系数随空间位置的不同而改变.将这样的谐波假设引入欧拉方程,经过处理的方程不显式地含有时间导数项,实际求解的方程将具有定常方程的形式.在使用多重网格技术后,计算可以很快达到收敛.对NACA64A010翼型典型的周期性非定常绕流进行的数值模拟表明,这种方法在能够给出较为准确的计算结果的同时,与传统的双时间方法相比,可以大幅提高计算效率.     

三维可压缩流欧拉方程组的隐式时间推进法

本文提出了求解三维定常无粘可压缩流场问题的一种隐式时间推进法。在计算空间以逆变速度分量为未知变量的欧拉方程组为控制方程,从而简化壁面边界的处理。在Beam-Warming的AF-方法基础上,用对角化及矢通量分裂等方法提高了计算速度及解的精度和稳定性。作为算例,对伴有激波的方形收放喷管跨声速流动进行了计算,以显示方法的有效性。     

数值求解可压缩N—S方程的增量迭代法

本文在Beam-Warming格式的基础上,引入通量分裂的概念,应用行高斯迭代技术提出了一个二阶隐式的求解BFC坐标变换下的N-S方程的增量迭代法。它消除了因式分解带来的寄生误差,合理地处理了控制方程中的粘性项,具有较好的收敛性和稳定性。二维Poissuill流动和Couette流动的计算结果和精确解吻合良好。S形进气道的数值解反映出的现象和实验结果是一致的。     

带有分离的二维可压粘性喷管流动计算

采用二维、时变、可压纳维-斯托克斯(N-S)方程计算喷管流动。流动可为无粘、层流或湍流。湍流模型可采用代数混合长模型,一方程和二方程模型。喷管形状为二维(平面或轴对称)。计算网格内点采用MacCormack显式格式。采用局部细网格,快速解法以及时间间隔光滑方法,以加速高雷诺数下收敛。边界点采用参考平面特征线格式计算,粘性项作为源项处理。给出了初步算例结果,与其它计算和实验数据比较,符合良好。     

高阶间断有限元法的并行计算研究

根据间断有限元法的数据结构特点,基于METIS网格分区技术,设计并行计算策略,在非结构网格上实现了并行高阶间断有限元法。控制方程的数值通量项使用Local Lax-Friedrichs(LLF)格式计算。设计了并行的牛顿-块高斯赛德尔法(Newton-Block GS)来加速收敛,提高迭代效率。并行性能分析表明,所设计的并行算法能够得到较好的加速比和并行效率,有效地节省计算时间,合理分配内存。这使得采用高阶间断有限元法计算更为复杂的问题成为可能。     

A Preconditioned Multigrid Method for Efficient Simulation of Three-dimensional Compressible and Incompressible Flows

将矩阵预处理方法与多重网格方法结合,发展了适用于机翼及复杂外形气动数值优化设计的高效数值模拟方法和程序。在不改变定常流动解的前提下,对 Navier-Stokes 方程的时间导数项实施 Choi-Merkle 矩阵预处理,从而改善可压缩控制方程在低速情况下的系统刚性。Choi-Merkle 预处理最初用于二维低马赫数粘性流动数值模拟,本文将其推广应用到计算三维流动,并针对提高跨音速流动计算收敛性进行了相应的改进。预处理后控制方程采用中心格式有限体积进行空间离散,Runge-Kutta 混合多步方法进行显式时间推进求解,并应用 FAS 多重网格方法加速收敛。采用所发展的方法和程序数值模拟了绕 M6 机翼和 M100 机翼的低速和跨音速流动(马赫数从0.01 到 0.839)以及绕 F4 翼身组合体流动。计算结果与实验值吻合良好,验证了所发展的方法的正确性。算例研究表明所发展方法较大幅度地提高了三维流动数值模拟的效率,且同时适用于可压和不可压流动计算,在机翼及复杂外形气动优化设计方法具有应用前景     

旋翼/机身气动干扰的数值模拟

通过求解粘性非定常可压缩N-S方程,发展了旋翼/机身气动干扰的数值模拟方法,主要技术措施包括:(1)通过ADT数据结构,建立了高效的多块对接网格动态重叠技术;(2)在可压缩方程求解中引入低速预处理方法,克服低速流场求解时的刚性问题;(3)加入了多重网格方法,提高收敛效率;(4)湍流模型方程求解需要反复计算壁面最近距离,采用Wigton的优化算法很大程度上提高了计算速度。利用建立的计算方法对佐治亚大学(GIT)旋翼/机身干扰模型进行了数值模拟,分别比较了机身表面的平均压力分布、旋翼的下洗流场以及非定常压力脉动,对干扰现象及其流动机理进行了分析。     

二次空气系统盘腔一维非定常计算方法

通过对盘腔结构的一维算法展开研究,提出适用于具有非标准结构、包含多个进出口的复杂盘腔的一维建模规则,并采用特征线法,实现盘腔结构的一维非定常流动与换热的计算,通过将广义的变截面、有摩擦、考虑对外热交换的盘腔一维可压缩非定常流动与换热的偏微分方程组转换为常微分方程组,进而获得盘腔内部沿流动方向压力、流量、温度等系统参数的特征线数值解,采用商业计算流体软件CFX对其进行验证.结果表明:所提出的盘腔建模与计算规则能够直观且准确地描述盘腔一维非定常流动及换热特征,仿真结果与CFX计算结果最大偏差约为9.4%,可应用于具有非标准结构的多接口复杂盘腔的模拟,可以作为二次空气系统盘腔结构一维非定常计算研究的有效手段.      

固体火箭发动机内轴对称两相流场的一体化数值模拟

将固体火箭发动机燃烧室和喷管作为一个整体，应用时间相关法进行了轴对称两相流场的一体化数值模拟。对气相采用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ显式差分格式，对颗粒相则采用特征线法进行计算。计算结果表明该方法可以对带潜入式喷管的发动机内复杂的两相流场进行有效的数值模拟。     

钝体前激波的数值模拟

本文通过直接求解N-S方程,研究激波问题,对是否可以和如何用直接求解N-S方程来处理超跨声速流进行了探索,在对粘性项的处理建立可压缩流体的压力校正方程和计算方法等方面均提出并实施了新的方法,最终得到了基本合理的数值计算结果。     

预处理法求解定常/非定常混合网格的全速流场

运用时间导数预处理法在混合网格上求解三维定常/非定常N-S方程。预处理后的N-S方程,用二阶迎风格式的有限体积法离散,隐式、LU-SGS迭代求解,双时间步推进求解非定常流。本文以一维预处理欧拉方程为基础进行分析,提出了一种特征变量的边界条件以适应预处理后的特征系统。从极低速到跨声速范围的众多算例表明,本文的边界条件处理稳定有效,预处理法在各种速度下都具备同样快速的收敛性,在较宽的使用范围内均能得到理想的计算结果。