一种修正的Osher通量在高阶WCNS中的特性

将一种基于多维修正的Osher通量运用于高阶加权紧致非线性格式(WCNS)中,该修正通量主要在垂直于激波面的界面上增加耗散,能够改善Osher通量的激波捕捉稳定性,同时对边界层和接触间断的分辨率影响非常小。对修正的Osher通量在高阶WCNS中的特性进行研究,通过数值模拟测试了基于Osher通量的WCNS的激波稳定性、热流预测精度、边界层模拟能力、激波边界层干扰模拟能力,并与Steger-Warming通量和Roe通量进行了对比。结果表明修正后的Osher通量比Harten修正的Roe通量具有更好的激波捕捉鲁棒性,而边界层、驻点热流值和激波边界层干扰的模拟则明显优于Steger-Warming通量。上述结果说明了基于修正的Osher通量的高阶WCNS具有较好的激波捕捉特性、热流预测精度和边界层计算能力。     

三阶HWCNS的构造及其在高超声速流动中的应用

对网格质量要求高、计算稳定性差和计算效率低是制约高阶精度格式应用于高超声速复杂流动模拟的重要因素。针对这些问题,发展了三阶精度的混合节点半节点加权紧致非线性格式(HWCNS3),改进其光滑测试因子和非线性权得到了HWCNS3-OP,并给出了它们的频谱特性。利用Lax和Osher-Shu算例测试了格式对间断和高频波的捕捉能力;通过钝锥和航天飞机的高超声速绕流算例,考察了HWCNS3-OP在真实流动模拟中热流和气动力的预测精度及其计算效率。研究结果表明:HWCNS3-OP具有较高的分辨率和良好的间断捕捉能力,高频波捕捉能力相对HWCNS3提高了约3倍,相对守恒律的单调迎风中心格式(MUSCL)提高了约4倍;HWCNS3-OP计算稳定性较好,计算效率相对五阶HWCNS提高了2~3倍,HWCNS3-OP是一种较适合高超声速复杂流动模拟的高阶精度格式。     

高阶加权非线性格式的拟线性频谱分析方法研究

拟线性频谱特性分析方法,能够更加准确地给出非线性空间离散格式的频谱特性,已成为非线性格式性能评估的重要手段,但时间离散方法和计算点数等因素严重影响了该方法的预估精度和使用的方便性。为了剔除这些因素的影响,首先,通过理论推导获得了与时间离散无关的频谱表达式,解释了该式中各项的物理含义,并给出了推进时间步长对频谱计算结果的影响;其次,基于时间离散无关的拟线性频谱分析方法,分析了格式频谱特性曲线在某些点发生跳跃的主要原因是选取了不恰当的计算点数,并给出了一种计算点数选取方法,当计算点数超过某整数后,该方法可以有效地消除计算点数和初始相位变化对格式频谱特性所带来的影响。在此基础上,基于两个三阶精度WCNS格式,开展了它们的频谱特性和典型算例的数值模拟研究,结果表明,所发展的方法得到的拟线性频谱特性在定性上能够正确评价非线性空间离散格式特性,但定量上仍显不足。     

高阶精度有限差分方法几何守恒律研究进展

针对高阶精度有限差分格式的几何守恒律问题,系统梳理了国内外离散几何守恒律问题方面的研究工作,以有限差分格式离散后的自由流保持问题为切入点,综述了近年来课题组在有限差分离散几何守恒律方面的研究工作,包括守恒网格导数算法(CMM)、对称守恒网格导数算法(SCMM)等,并通过若干典型算例验证了几何守恒律的满足对高阶精度有限差分方法数值模拟能力的提升。通过对有限差分离散几何守恒律问题研究工作的系统梳理,总结相关认识如下:1)直接基于网格变换导数的传统计算形式采用有限差分离散不能满足几何守恒律,需采用网格变换导数的守恒计算形式同时还需满足CMM条件;2)SCMM条件是满足几何守恒律的充分条件,且网格变换导数和雅克比均需采用其对称守恒计算形式,具有唯一性;3)自由流保持只是满足几何守恒律的一种表现形式;4)几何守恒律的满足能够有效提升高阶精度有限差分格式的数值模拟能力。     

基于高阶耗散紧致格式的GMRES方法收敛特性研究

计算效率较低是当前限制高阶精度计算方法应用的重要因素。为了提高高阶精度混合型耗散紧致格式（HDCS）的计算效率,发展了适合多块对接网格的广义最小残值（GMRES）方法,并利用GMRES方法开展了HDCS格式的加速收敛研究。首先研究了GMRES的预处理方法、CFL数和内层迭代步数对HDCS数值模拟收敛特性的影响,计算结果显示：点松弛方法是一种高效的预处理方法;CFL数对计算收敛速度影响较大;GMRES方法存在最优的内层迭代步数。利用GMRES方法完成了NACA 0012翼型绕流、NLR 7301翼型绕流和DLR-F4翼身组合体绕流的数值模拟,并与其他隐式时间推进方法进行了对比,GMRES方法计算更加稳定,并且计算效率相对LU-SGS（Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel）方法可以提高5倍以上。研究结果表明,本文发展的GMRES方法在多块对接网格中具有良好的计算稳定性,计算结果的残差可以收敛到更低的量级,并且可以较大幅度地提高高阶精度数值模拟的计算效率。     

一种分裂形式CPR格式在欠解析流动中的稳定性研究

基于重构的修正过程（correction procedure via reconstruction, CPR）方法是一种适用于非结构网格、紧致高效的高阶方法，但在离散非线性对流项时容易因为混淆误差的累积而出现数值不稳定。本文研究了基于LG (Legendre-Gauss)点分裂形式的CPR方法在欠解析流动中的稳定性，并将其与子单元限制技术结合，求解含激波的欠解析流动问题。结果表明：经过边界通量修正的LG点分裂形式CPR格式能够满足离散守恒律，且与子单元限制相结合后守恒律依然成立；在无激波的欠解析流动问题中，相比于散度形式CPR格式，分裂形式明显提高了计算的稳定性，而且比使用LGL(Legendre-Gauss-Lobatto)点的分裂形式CPR格式具有更小的数值误差；在含激波的欠解析流动求解中，相比基于LGL点的间断伽辽金谱元法子单元限制策略，基于LG点的分裂形式CPR格式子单元限制策略具有更高的分辨率和更小的振荡。