适于可压缩多尺度流动的紧致型激波捕捉格式

针对可压缩多尺度流动数值模拟特点,研究一种五阶高分辨率紧致型激波捕捉格式——紧致重构加权基本无振荡(CRWENO)格式。该格式利用非线性权系数将低阶紧致格式加权组合以达到高阶精度。在光滑区域蜕化成具有高分辨率的五阶线性紧致格式,在间断附近则能保持计算稳定无振荡。对CRWENO格式、目前广泛使用的加权基本无振荡(WENO)格式及两格式对应的线性格式(即五阶线性迎风格式和五阶紧致格式)进行数值性能研究,评估非线性权系数对格式耗散及频谱特性的影响。使用一维、二维、三维典型算例进行数值试验,探讨线性/非线性、紧致/非紧致格式在可压缩多尺度流动模拟中的优势和不足。结果表明,CRWENO格式在强压缩性流场模拟中能够稳定地捕捉激波,其紧致特性则改善了非线性格式普遍存在的耗散过大、分辨率较差的问题,使其能够清晰捕捉多尺度流动结构。因此,该格式在可压缩多尺度流动模拟中具有较大优势。     

两类激波捕捉格式的性能分析

考虑了两类典型的激波捕捉格式:特征形式的MUSCL(Monotone Upstream-centred Schemes for Conservation Laws)格式和WENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory)格式.MUSCL格式在作特征变换时使用了局部线性化的思想,并且针对波系的性质施加相应的限制器;通过逐维重构实现有限体积法的WENO格式.针对一维、二维和三维Euler系统进行数值实验.在一维和二维的情况下,特征形式的MUSCL格式在接触间断的捕捉上具有较明显的优势,而对于激波的捕捉则差别不大.对于三维问题则是WENO格式对流场的分辨更精细.最后对上述结果给出解释,并且提出了可能的改进方法.     

高精度激波捕捉格式的性能分析

在数值模拟激波-湍流干扰问题时,为了精确模拟湍流脉动的小尺度结构,数值格式应尽量减小自身的数值耗散.但是为了稳定、无震荡地捕捉激波,数值格式又必须具有一定程度的数值耗散.基于上述这2种相互矛盾的要求,采用无黏泰勒格林涡、可压缩湍流等经典算例对目前广受好评的几种高精度格式进行了系统地对比.一系列的计算分析表明,当前工程中广泛应用的高精度格式虽然都能一定程度地满足上述2种要求,但与理想目标仍有较大的差距.     

三阶中心无振荡格式性能分析

三阶中心无振荡格式Cn3(Centered nonoscillatory scheme of third order)使用对称模板构造具有三阶精度的插值公式.利用单调区域与精确区域修正原始插值参数,该格式能够获得间断附近无振荡、光滑区域高精度的计算结果.通过一维和二维典型算例,将Cn3格式与三阶和五阶WENO格式(Weighted Essentially Non-Oscillatory schemes)进行比较,重点分析了3种格式的间断分辨率、计算稳定性和数值耗散性.分析可见,Cn3格式能够精确、稳定地捕捉激波和接触间断,同时对光滑流动区域的小尺度流动结构保持较低的耗散,值得进一步研究及推广应用.     

高超声速热流高精度数值模拟方法

通过高超声速下钝锥热流的计算,对影响热流计算精度的因素进行了综合研究.获得了壁面法向网格Re数对热流计算的影响规律.采用边界高阶插值,提高了热流计算精度.用Roe和AUSM(Advection Upstream Splitting Method)+格式搭配minmod和混合limiter两种限制器,探讨了空间离散方法及限制器的耗散性对热流结果的影响.应用五阶WENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory)方法,对高阶格式计算热流的性能进行了细致研究,最终确立了网格依赖小,热流精度高的计算方法.研究认为:高阶格式不但可以放宽热流计算对网格Re数的限制,同时使得格式对本身计算方法的依赖性也变小.      

高超音速双锥绕流数值模拟的格式效应分析

通过模拟双锥外形高超音速绕流,对各种计算流体力学空间离散格式的性能进行分析.研究了Roe格式、van Leer格式、AUSM(Advection Up-stream Splitting Method)格式、AUSMDV格式、AUSM+格式、上风TVD(Total Variation Diminishing)格式等对双锥高超音速流场特征的模拟能力.结果表明:各空间格式激波分辨率都较高,但粘性分辨率相差很大.其特性与格式耗散性有关,耗散性越小,粘性分辨率越高;格式耗散性对热流极值影响显著,耗散性越小,热流极值越大,其位置越靠近前缘.      

模拟可压缩流的高分辨率有限元法

采用经典的Galerkin方法对N-S方程进行空间离散,再以该半离散格式作为基本格式,参照Kuzmin的思想加入耗散与反耗散项,使所构造的格式具有局部极值不增(LED,Local Extremum Diminishing)性质.对上述半离散格式进行时间离散后所导出的稀疏线性代数方程组,采用了GMRES(Generalized Minimal Residual)迭代法进行求解.为验证所建立的格式及相应的程序,给出了激波管问题和绕圆柱与双椭球超声速流动问题的数值模拟结果.      

基于RoeM格式思想的激波稳定格式构造

Roe格式有着较高的黏性分辨率以及间断分辨率,但它在实际流动模拟时很容易出现激波不稳定现象.此外,它在无黏定常计算时无法保证总焓守恒.为了在保留Roe格式分辨率高的优点基础上改善其上述缺陷,将RoeM格式与高阶激波判别方法相结合,提出了RoeMW1,RoeMW2格式.计算结果表明,在流动较为简单的情况下提出的RoeMW1, RoeMW2 格式可以有效避免激波不稳定现象的出现且保持总焓守恒.而在一些较为复杂的流动结构计算中,虽然比之于RoeM格式均有所改善,但在RoeMW1基础上改进的RoeMW2格式在间断模拟时鲁棒性更强.      

航空发动机一维数值仿真

分析了航空发动机一维气动热力数值仿真模型,此模型能够用于航空发动机整机数值仿真.进行了整机性能数值仿真,求解过程考虑了粘性效应以及气体流动损失对于整机性能的影响;采用了具有TVD性质的高阶精度Godunov格式,此格式具有良好的数值稳定性和激波捕捉能力;应用了时间推进法,交替使用显/隐格式.计算了某型带加力的混排涡扇发动机的速度特性以及节流特性并且与设计数据进行了比较分析,数值仿真结果与设计数据比较吻合.分析了典型工作点的计算过程,模型收敛速度较快.     

无自由参数型混合格式

针对紧致-加权本质无振荡混合格式中子格式的权重,设计了新的算子.该算子利用模板的光滑因子求解权重,避免引入自由参数,提高了格式的易用性和鲁棒性.利用新的权重算子,分别将两种五阶迎风紧致格式与WENO-Z(Weighted Essentially Non-Oscillatory Scheme)耦合.新权重算子使子格式之间的切换较为光滑.WENO-Z能够保持格式在极点附近的精度,紧致格式在光滑区域耗散低,混合格式因此能够保持高分辨率、高精度特性以及对间断的捕捉能力.数值试验针对若干双曲型方程算例展开,比较了两种混合格式在采用新权重算子与采用其他典型算子时的数值特性.结果表明无自由参数型权重算子性能良好.      

改进的二维三阶半离散中心迎风格式

对二维三阶半离散中心迎风格式中的权函数给出了简化改进. 在保持格式精度的基础上, 改进后的权函数在二维情况下具有更加简单直接的结构而且严格非负. 该改进方法得到的格式仍然具有半离散中心迎风格式的优点, 同时保持了重构函数的非振性. 时间离散采用保持强稳定性的三阶Runge-Kutta方法, 并利用四阶Lax-Wendroff (L-W) 格式计算磁流体算例中的磁场散度. 用该修正格式计算了二维磁流体数值算例, 得到高精度无振荡的结果, 验证了此方法的有效性.      

非线性系统的全局线性输出反馈镇定

考虑了利用线性输出反馈全局镇定一类不确定非线性系统的问题.已有线性输出反馈控制中三角型约束条件被推广到了非三角型条件.构造了一个线性高增益观测器和一个耦合的线性高增益控制器,并利用增益尺度变换的方法,证明了闭环系统的全局稳定性.仿真结果说明该方法的有效性.     

重力波波包在剪切风场中的非线性传播

采用二维全隐欧拉格式,对具有高斯分布的重力波波包在剪切风场中的非线性传播过程进行数据模拟和分析,数值分析结果表明,在没有出现临界层的情况下,尽管存在非线性效应,在整个传播过程中,波动的等相面向下运动,波包和波相关能量仍然能够自由地向上传输。波相关扰动速度随高度增加而增加,并且垂直波长随高度增加而减小。     

Chaos and multifractals in the solar wind

By using the false-nearest-neighbours method, we have argued that the deterministic component of solar wind plasma dynamics should be low-dimensional. In fact, the results we have obtained using the method of topological embedding indicate that the behaviour of the solar wind can be approximately described by a low-dimensional chaotic attractor in the inertial manifold, which is a subspace of system phase space. We have also shown that the multifractal spectrum of the solar wind attractor is consistent with that for the multifractal measure of the self-similar generalized weighted Cantor set with two different scaling parameters and one probability measure parameter responsible for nonuniform compression in phase space and multifractality. The values of the parameters fitted also demonstrate that the complex solar wind system could only be weakly non-conservative (small dissipation) and quantify nonlinear dynamics; some parts of the attractor in phase space are visited much more frequently than other parts. In addition, to quantify the multifractality of space plasma intermittent turbulence, we consider that generalized Cantor set also in the context of scaling properties of solar wind turbulence. We investigate the resulting multifractal spectrum of a one-dimensional phenomenological model of turbulence cascade depending on its parameters, especially for asymmetric scaling. In particular, we have shown that intermittent pulses are stronger for the cascade model with two different scaling parameters. Even thought solar wind turbulence appears to be rather space filling, a better agreement with the data is obtained, especially for the negative index of generalized dimensions. Therefore we argue that there is a need to use a two-scale asymmetric cascade model. We hope that this generalized multifractal model will be a useful tool for analysis of intermittent turbulence in space plasmas. We thus believe that fractal analysis of chaotic systems could lead us to a deeper understanding of their nature, and maybe even to predict their seemingly unpredictable behaviour.