A fast and automatic full-potential finite volume solver on Cartesian grids for unconventional configurations

To meet the requirements of fast and automatic computation of subsonic and transonic aerodynamics in aircraft conceptual design,a novel finite volume solver for full potential flows on adaptive Cartesian grids is developed in this paper.Cartesian grids with geometric adaptation are firstly generated automatically with boundary cells processed by cell-cutting and cell-merging algo rithms.The nonlinear full potential equation is discretized by a finite volume scheme on these Cartesian grids and iteratively solved in an implicit fashion with a generalized minimum residual (GMRES) algorithm.During computation,solution-based mesh adaptation is also applied so as to capture flow features more accurately.An improved ghost-cell method is proposed to implement the non-penetration wall boundary condition where the velocity-potential of a ghost cell is modified by an analytic method instead.According to the characteristics of the Cartesian grids,the Kutta condition is applied by specially computing the gradients on Kutta-faces without directly assigning the potential jump to cells adjacent wake faces,which can significantly improve the solution con verging speed.The feasibility and accuracy of the proposed method are validated by several typical cases of sub/transonic flows around an ONERA M6 wing,a DLR-F4 wing-body,and an unconventional figuration of a blended wing body (BWB).The validation cases demonstrate a fast convergence with fully automatic grid treatment and computation,and the results suggest its capacity in application for aircraft conceptual design.     

适于黏性计算的自适应笛卡儿网格生成及其应用

复杂外形的黏性网格生成已经成为计算流体力学(CFD)在工程应用中的主要瓶颈,高效而鲁棒的网格生成技术研究显得尤为迫切。使用基于物面外形自适应加密的笛卡儿网格方法生成计算网格,投影方法拟合壁面边界,将投影得到的柱形单元沿法向分层获得适于黏性计算的网格。应用特征恢复技术恢复凹面特征并改善凸面处的网格质量。流场解算中应用最小二乘法重构获得2阶精度,Roe格式计算无黏通量,Holmes-Connell方法计算黏性通量。加入Spalart-Allmaras一方程湍流模型以获得湍流解。上下对称高斯 赛德尔迭代(LU-SGS)格式隐式时间推进,对网格重排序保证格式的稳定性和平衡性。算例显示网格生成方法是快速的和鲁棒的,流场计算精度满足工程需求,因此该方法非常适合应用于实际工程计算。     

自适应直角坐标网格方法在耦合传热数值模拟中的应用

首先介绍了耦合传热计算区别于一般的导热和对流换热过程的特点,然后介绍了常用的计算方法应用于耦合传热计算遇到的困难及自适应直角坐标网格方法在耦合传热计算中的优势。最后用两个算例证明了采用自适应直角坐标网格方法数值模拟耦合传热问题是适用的。     

基于雷达散射截面约束的气动优化设计

采用拉格朗日乘子法优化设计了雷达散射截面约束条件下的锥形融合气动外形.拉格朗日乘子法中的极小化问题采用动态演化的优化设计方法求解.该方法是一种基于非定常演化的优化设计方法,即在求解非定常流动支配方程的时候同时履行优化过程,较其它基于定常解的优化方法具有高得多的计算效率.其中的雷达散射截面通过求解非结构的笛卡儿网格上的时域麦克斯韦方程来得到,而升阻比则通过求解锥形流方程来计算.通过优化设计,得到了M∞=8.0时,升阻比为4.98,雷达散射截面只有1.66m2的锥形融合气动外形.     

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。     

结构/直角切割网格下时域有限体积法在计算电磁中的应用研究

 采用有限体积法直接求解时域麦克斯韦方程组，研究了二维圆柱、翼型和三维球体、立方体、双球体等典型完全导电目标的电磁散射问题。空间离散使用近似黎曼解构建网格通量，并针对二维结构网格、三维自适应直角切割网格分别给出重构方法，时间方向采用二步龙格库塔法。计算与理论、实验或文献结果符合良好。     

用非结构直角网格和欧拉方程计算飞机绕流

 采用八叉树结构 ,生成复杂外形绕流计算的非结构直角网格。物面附近用投影方法 ,使网格贴体。并将Jameson的有限体积法推广用于这种网格的欧拉方程计算。对歼击机模型的绕流计算表明 ,网格生成的机时花费很少 ,总体质量好 ,因而欧拉方程解算的收敛质量也好。     

可压缩粘性流动笛卡尔网格虚拟单元方法研究

以二维高雷诺数可压缩粘性流动问题为背景,提出了一种全新的笛卡尔网格虚拟单元方法。基于壁面函数基本假设,构造了壁面函数-虚拟单元方法(WF-GCM),用于定义湍流壁面边界条件。引入参考点的概念计算虚拟单元上的基本变量与湍流变量值,定义了"非贴体"笛卡尔网格下的湍流壁面边界条件,并通过壁面函数模型修正近壁面单元与界面单元。基于自适应笛卡尔网格体系,采用发展的具有二阶精度的格心格式有限体积求解器,数值模拟了跨音速RAE2822翼型绕流问题与超音速圆柱绕流问题,计算结果与实验值吻合良好,显示了WF-GCM对高雷诺数可压缩粘性问题是有效的。     

基于Euler方程解摄动的超声速旋转导数计算方法

基于笛卡尔网格和采用Euler方程基本流场解,通过Riemann不变量摄动,对旋转扰动引起的物面法向速度构建摄动关系,发展了一种超声速旋转导数快速计算方法。文中给出了具体的推导过程,可以看出由此得到的超声速旋转导数,仅与定常欧拉解基本流相关。因此,一旦CFD计算得到定常欧拉解,就可一次性地快速计算出感兴趣的超声速旋转导数。为了验证该计算方法,本文选用国际动导数标准模型Basic Finner算例进行了计算,计算结果与试验数据、文献数据具有很好的一致性,展示出本文方法计算耗时少、精度高、工程实用性强等优点,且该算法基于笛卡尔网格,特别适合复杂气动外形飞行器超声速旋转导数的快速计算。     

基于切割单元直角坐标网格的DSMC方法及优化技术

对传统直角坐标网格进行改进,根据计算机图形学对与物面相交的正方形网格进行切割,使单元与物面贴体,并能根据流场的变化对网格区域进行局部加密。结合直角坐标网格与非结构网格的特点,编写了自适应直角坐标网格的生成程序,并发展了基于切割单元直角坐标网格的直接模拟蒙特卡洛(Direct simulation Monte Carlo,DSMC)方法。同时通过当地模拟分子数、动态时间步长技术优化DSMC方法,提升计算效率。数值结果表明,本方法在计算过程中使搜索效率得到大大提升,同时也保证了物面网格单元的贴体性,提高了物面附近流场的计算精度,还易于实现网格自适应。