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。     

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.      

Monotonicity-Preserving激波捕捉格式在湍流大尺度模拟中的评估

对高阶激波捕捉格式的性能进行了系统的测评,重点分析了Suresh和Huynh(1997)所提出的Monotonicity-Preserving格式的性能.结果表明Monotonicity-Preserving格式的性能显著优于原始WENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory) 格式,和改进型WENO格式相当.对格式的分析进一步表明,迎风型的激波捕捉格式在湍流模拟方面的性能都不及高阶中心格式,其原因归结为激波捕捉格式所包含的线性和非线性耗散.因此,改进高阶激波捕捉格式的关键在于同时降低格式的线性耗散和非线性耗散,以提高格式对湍流脉动能量的保持和对小尺度脉动结构的捕捉能力.     

广义拉格朗日乘子MHD方程组的两类逆风分裂格式

开发高性能的磁流体力学数值模拟方法是提高空间天气数值预报研究的一个重要方面.有限体积法的逆风分裂格式具有良好的间断捕获能力，Steger-Warming和AUSM（Advection Upstream Splitting Method）是逆风分裂格式FVS（Flux Vector Splitting）方法中具有代表性的两种格式.采用这两种格式求解具有伽利略不变性的扩展型广义拉格朗日乘子磁流体力学（EGLM-MHD）方程组，对Orszag-Tang涡流问题和三维爆炸波问题进行数值模拟，结果表明两种格式均能得到稳定精确的数值结果.与Steger-Warming格式相比，AUSM格式产生的磁场散度误差更小，计算速度更快.      

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.     

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.     

无碰撞激波的理想MHD模拟

采用了WENO格式数值求解一维理想MHD方程组，模拟了行星际无碰撞激波，研究了垂直无碰撞激波与行星际反向磁场结构和高密度等离子体团的相互作用过程，并与粒子模拟的结果进行比对，两者的结果非常类似．模拟结果表明，对涉及无碰撞激波的大部分现象中理想MHD模拟是准确且可行的，同时相对于粒子模拟又有很好的计算效率，便于扩展至二维或三维的情形．     

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.      

一类TVD型组合差分方法及其在磁流体数值计算中的应用

根据太阳风数值模拟的特点，考虑到算法的质量（收敛速度、稳定性、精度等），结合磁流体数值计算的特性，对三维球坐标磁流体动力学（MHD）方程组中的流体部分采用一种修正Lax-Friedrichs差分法而对磁场部分采用MacComack格式，发展了一类快捷的具有TVD特性的组合数值新方法，作为格式的检验，在一维情况下，将其与PPM格式进行了比较，对一维快慢磁流体激波问题得到了与PPM格式精度相同的结果，然后将其诮到定态太阳风的数值模拟上，在不同等离子体β情形下，可得到理想的太阳风定态结构，为今后将此数值模式应用到具有复杂磁场位型或三维直实太阳风暴的数值模拟研究奠定了基础。     

差分格式的优化组合

用偏微分方程组解实际的三维紊流流动问题时,如何选择各方程中对流项和扩散项的差分格式将对计算的稳定性、准确性与经济性影响很大.对一个实际的流动问题,计算机模拟验证了迎风差分、中心差分、混和格式、PLDS(Power Law Differencing Scheme)、QUICK(二次迎风插值)和OPTIMAL(Oscillation Preventing Technical algorithm based on the second-order Interpolation Method for Advection Linked convection)的各种组合对计算的稳定性、准确性与经济性的影响.对中心差分应用在雷诺时均方程中出现的数值解的振荡问题提出了在局部网格使用迎风差分的具体对策.对QUICK应用在κ,ε输运方程上出现的数值解的发散问题提出了QUICK和迎风差分格式交替使用的具体方法.      

A CLASS OF TWO-STEP TVD MACCORMACK TYPE NUMERICAL SCHEME FOR MHD EQUATIONS

In this paper, a new numerical scheme of Total Variation Diminishing (TVD) Mac-Cormack type for MagnetoHydroDynamic (MHD) equations is proposed by taklng into account of the characteristics such as convergence, stability, resolution. This new scheme is established by solving the MHD equations with a TVD modified MacCormack scheme for the purpose of developing a scheme of quick convergence as well as of TVD property. To show the validation, simplicity and practicability of the scheme for modelling MHD problems, a self-similar Cauchy problem with the discontinuous initial data consisting of constant states, and the collision of two fast MHD shocks, and two-dimensional Orszag and Tang‘s MHD vortex problem are discussed with the numerical results conforming to the existing results obtained by the Roe type TVD, the high-order Godunov scheme, and Weighted Essentially Non-Oscillatory (WENO) scheme. The numerical tests show that this two-step TVD MacCormack numerical scheme for MHD system is of robust operation in the presence of very strong waves, thin shock fronts, thin contact and slip surface discontinuities.     

层流平板摩擦阻力的数值计算

为提高层流摩擦阻力数值计算的精度,采用数值求解N-S方程的方法,对层流平板摩擦阻力进行了计算.计算中采用4种先进上风格式,同时配合以14种不同的壁面法向网格分布和5种常用限制器,并将计算结果与布拉修斯解进行对比.结果表明,van Leer的FVS(Flux Vector Splitting)格式数值耗散大,对网格分布和限制器敏感,不适合用于摩擦阻力计算.限制器和计算格式的粘性分辨率越高,摩擦阻力的计算精度越高.在计算量允许的情况下,可以减小壁面法向第1层网格高度,以提高计算精度,但应同时兼顾网格长宽比.对于摩擦阻力计算,边界层内应至少布置4个网格点.      

新型三阶TVD限制器性能分析

在计算流体力学(CFD)方法中,限制技术是影响计算精度和计算稳定性的重要因素,目前应用较广的经典二阶总变差衰减(TVD)限制器虽能较好地满足计算要求,但性能差异大且分辨率和耗散的性能间并未得到良好权衡。对一种新型的三阶TVD插值限制器(T-3限制器)进行了研究并将其与3种经典限制器进行对比。首先通过一维黎曼问题,得出T-3限制器兼顾较高间断分辨率和良好稳定性的特点;接着通过高超声速双锥绕流和X-33外形飞行器的数值实验,得到T-3限制器具有刻画复杂流动的能力以及较优的气动热计算性能。     

基于简单WENO-间断Galerkin的Euler方程自适应计算

为了得到Euler方程的高精度、高分辨率数值解,介绍了间断Galerkin方法、三角形单元上简单WENO限制器的基本原理以及基于自适应网格加密的激波捕捉方法。将简单WENO限制器-间断Galerkin方法应用到曲边四边形单元上,通过单元边界上高斯积分点的坐标来搜索相邻单元从而得到相邻单元的单元编号,实现了基于“问题单元”的局部网格加密自适应计算。对若干典型问题进行编程计算,结果表明,简单WENO限制器可以应用到曲边四边形单元上,且可适用于局部网格加密时具有“悬挂节点”的非结构网格上的激波捕捉。      

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.      

A 3rd Order WENO GLM-MHD Scheme for Magnetic Reconnection

A new numerical scheme of 3rd order Weighted Essentially Non-Oscillatory (WENO)type for 2.5D mixed GLM-MHD in Cartesian coordinates is proposed. The MHD equations are modified by combining the arguments as by Dellar and Dedner et al to couple the divergence constraint with the evolution equations using a Generalized Lagrange Multiplier (GLM). Moreover, the magnetohydrodynamic part of the GLM-MHD system is still in conservation form. Meanwhile, this method is very easy to add to an existing code since the underlying MHD solver does not have to be modified. To show the validation and capacity of its application to MHD problem modelling,interaction between a magnetosonic shock and a denser cloud and magnetic reconnection problems are used to verify this new MHD code. The numerical tests for 2D Orszag and Tang's MHD vortex,interaction between a magnetosonic shock and a denser cloud and magnetic reconnection problems show that the third order WENO MHD solvers are robust and yield reliable results by the new mixed GLM or the mixed EGLM correction here even if it can not be shown that how the divergence errors are transported as well as damped as done for one dimensional ideal MHD by Dedner et al.