关于变形网格“几何守恒律”概念的讨论

在国内外文献中应用包含有变形的动网格进行流动数值模拟时,要满足所谓的几何守恒律条件;通过对这一概念最早提出推导过程和近年来应用发展情况分析以后发现,逻辑上存在不适当之处.从流体力学基本理论出发,对包含有变形的动网格技术的理论基础进行讨论,证实几何守恒律是流体力学控制方程的伴随方程或退化方程;通过简单模型分析有限体积方法离散过程,发现计算过程中不满足几何守恒律所引起的非物理现象本质上是目前有限体积离散处理中微元体积计算方法不符合物理定律所致;因此在变形动网格计算方法中不存在必须要满足的几何守恒律.最后根据理论提出物理背景清晰的微元体积计算方法,数值验证可行.     

网格之间流场信息传递的高精度方法和验证

理论分析了插值方法引入误差的原因,提出一种利用时间推进方法和移动网格技术实现网格之间流场信息传递的思想,并构造计算方法。在介绍新的信息传递算法原理的基础上,根据三维情况下传递过程需要满足的时间推进步长稳定性条件,推导出最小推进步数的要求。最后,通过对激波诱导物体运动的非定常流动模拟,比较了信息传递算法和线性插值、加权最小二乘插值方法,计算结果表明,与插值方法相比,信息传递过程没有引入误差,能有效抑制非物理振荡,保持流场计算精度。     

非结构动网格技术及其在超声速飞行器头罩分离模拟中的应用

针对激波诱导物体运动的二维动力学模型,比较了采用流动定常、结合非定常弹道方程的所谓"准定常"计算方法和非结构动网格计算方法,通过流场和运动特性分析,指出发展有相对运动的非定常流动模拟方法的重要性;另外采用修正弹簧近似和局部重构的非结构动网格技术,耦合求解Euler方程及6DOF弹道方程,数值模拟高度H=25km、飞行马赫数Ma=6.0、迎角α=0°状态下火箭抛罩的动力学过程.研究表明,稠密大气层内头罩受到的气动力比惯性力大几个数量级,导致头罩的运动特性完全由气动力控制.分离过程中,头罩和火箭头部之间的气动干扰在时间和空间上都表现出强烈的非线性特征,头罩姿态变化剧烈.本文还对分离过程中部分位置上的流场进行定常模拟,比较了定常和非定常的气动力,所得结论对于分析地面风洞可控轨迹系统(CTS)试验具有指导意义.     

有相对运动多体动力学系统流动计算方法若干问题讨论

对应用非结构动网格技术数值模拟有相对运动多体动力学系统的流动现象时发现的若干问题进行了讨论.应用动网格技术求解均匀流场,验证了几何守恒律方程离散形式对流场计算精度的重要性,还发现格式时间精度越高、网格运动速度越接近声速,几何守恒律的作用越明显;采用类似于可控轨迹实验的准定常计算方法和非结构动网格技术,分别对超声速气流中物体运动的动力学过程进行了数值模拟,通过流场和运动特性比较和理论分析,指出准定常计算方法本质上无法反映非定常流动特征,即使时间步长趋向零也不会趋向于真解;还讨论了数值模拟非定常流动的双时间法,分析时间推进步长对解的影响,随着时间步长减小解的误差降低,但是这一方法与动网格技术结合解决多体分离问题有难度.     

一种基于聚类分析的二维激波模式识别算法

在激波捕捉求解器计算的可压缩无黏流场基础上，提出了一种探测并识别二维激波干扰模式的新算法，从3个层面详细介绍了该算法的实施流程。首先，采用基于当地流场参数设计的传统激波探测方法，辨识出激波附近的一系列网格单元；其次，通过经典的K-means聚类算法将这些激波单元划分成许多簇，并根据簇的相邻信息定义每个簇的类别；最后，设定相关准则对某些紧邻的簇进行合并，进而确定各个激波干扰点的位置，记录各条激波分支所对应的簇，采用Bézier曲线拟合算法分别对其聚类中心进行拟合以获取更加光滑的激波线。数值试验表明，该算法不受网格类型的限制，不仅可以保证最终拟合的激波线具有较高的位置精度，还可以清晰地识别出流场中多激波干扰的模式，同时对分析非定常流场中激波的运动与演化过程也提供了一种有效的可视化手段。     

一种改进的非定常激波装配算法

基于非结构动网格技术和格心型有限体积方法,提出一种改进的非定常激波装配算法,进一步拓展了其在包含有运动激波的非定常流场的应用范围。首先,针对激波在直/曲壁面传播这类问题,分别建立了壁面间断节点的运动模型;其次,为保证激波在大范围运动时装配阵面不产生失真,基于Bézier曲线拟合方法实现了间断节点分布的自动重构;接着,通过嵌入局部网格自动重构模块,提高了算法的计算效率和自动化程度;最后,对于激波相交点的运动,设计了一种根据位移推算速度的方法进行装配。数值算例表明,所提算法能够有效地处理激波传播问题,相比激波捕捉方法可以提取更多的流场信息,同时可以获得流场间断更加直观清晰的图谱。     

冲压发动机进气道压力振荡过程的数值研究

针对来流马赫数3.5,0°迎角飞行条件下冲压发动机的简化模型,数值模拟了进气道整流罩开启过程的非定常流动。计算采用AUSMPW有限体积格式,基于结构与非结构的混合网格技术,求解了非定常N-S方程。计算结果表明,在进气道整流罩打开以后,超声速气流会在燃烧室通道内形成振幅衰减较慢的低频剧烈振荡。在同样计算条件下采用Euler方程进行对比性研究,数值实验发现对这类大雷诺数、强非定常性的问题,Euler方程和N-S方程得到的结果相差不大。     

点火冲击波与药柱裂纹流固耦合作用机理数值模拟研究

流体计算采用基于非结构动网格的有限体积方法,结构计算采用分段精细时程积分方法,求解结构动力学有限元方程,流体计算和固体计算之间采用松耦合在不断运动的交界面上进行作用力和运动特性的传递,对固体火箭发动机点火形成的冲击波与药柱缺陷形成的弹性裂纹之间相互耦合作用过程进行了模拟。研究表明,作用在弹性裂纹上的冲击波载荷引起的壁面变形随时间变化明显,开始表现为撑开裂纹出口,随后出现了收缩出口撑开底部的瓶状;固体变形对冲击波在弹性狭缝内的压力波振荡影响较小,以前采用刚体模型得到的研究结论仍有指导意义。     

无需变轨实现单航天器对星座中多卫星的近距离接近

针对日前广泛应用的相位同构星座，讨论了一种无需变轨实现单航天器与多颗卫星近距离接近的轨道设计方法。其设计思想是首先根据接近任意两颗卫星轨道的约束条件得到轨道簇，再利用搜索的方法从中找出能接近其他一颗或多颗卫星的轨道。研究表明，利用这种方法能设计得到至少接近三颗非共轨卫星的多条轨道。文中给出了一个算例，针对描述符为60：18／6／2的星座，得到了多条能接近3—5颗卫星的轨道。     

无需变轨实现单航天器对星座中多卫星的近距离接近

针对目前广泛应用的相位同构星座,讨论了一种无需变轨实现单航天器与多颗卫星近距离接近的轨道设计方法.其设计思想是首先根据接近任意两颗卫星轨道的约束条件得到轨道簇,再利用搜索的方法从中找出能接近其他一颗或多颗卫星的轨道.研究表明,利用这种方法能设计得到至少接近三颗非共轨卫星的多条轨道.文中给出了一个算例,针对描述符为6018/6/2的星座,得到了多条能接近3-5颗卫星的轨道.