基于图像处理思想的自适应网格技术

为了提高激波和旋涡等复杂流动现象的捕捉精度和计算效率,基于图像处理的思想,研究了非结构网格的自适应加密和稀疏算法.将流场计算网格与图像像素类比,借鉴图像处理的方法,提出了一种流场自适应区域的分割算法.该方法能自动对自适应区进行分层,中间区域网格可以达到原来多次自适应的效果,而且提高了生成网格的质量.将算法嵌入到流场求解器中,根据流场求解结果对网格进行自适应,并使用算例进行了验证.     

粘性流动模拟中基于伴随方程的网格自适应

<正>网格自适应方法就是在对计算结果影响大的区域进行加密,而在影响不大的区域进行粗化。自适应技术的核心是构造自适应探测器,传统的探测器基于流动物理量的梯度,如驻点、激波、边界层、尾流等,其基本假设是在大梯度的区域流场误差较大。然而局部细化流动的特征区域并不能保证整体误差的减小,有时甚至会获得错误的计算结果。Pierce与Giles发展了基于伴随方程的目标函数误差修正方法。Venditti与Darmofal将离散伴随方法用于无     

旋翼流动的块结构化网格自适应方法

从旋翼的旋转运动和旋涡环绕流场特点出发,探讨了流场计算中的双网格建模方法,即采用结构化贴体网格随桨叶一起运动,采用背景网格的自适应加密模拟旋涡的空间演化。发展了块结构化的背景笛卡尔网格生成方法,网格以块为单位进行加密或稀疏变化,所有网格块的网格维数相同,采用八叉树数据结构和空间填充Z曲线进行管理,满足自适应加密和并行分区的需求。采用该方法对UH-60A旋翼进行了网格建模,在以桨叶贴体网格为输入的前提下自动生成了初始笛卡尔背景网格,同时针对旋翼的悬停和前飞状态流场,分别采用Landgrebe和Beddoes尾迹模型为网格加密提供线索。在此基础上对空间背景网格进行了自适应加密,最大允许网格加密层次为9层,桨尖涡目标区域的网格尺度为0.01倍弦长。结果表明,当前笛卡尔自适应网格方法足够灵活,能够根据桨尖涡位置变化进行网格加密或稀疏操作,自适应网格加密受最大加密层次、目标加密区域的大小和目标区域的网格间距等因素决定。本文的自适应方法具有网格调整效率高的特点,在提高非定常桨尖涡模拟精度方面有一定的应用前景。     

基于高阶物面近似的自适应间断有限元法欧拉方程数值模拟

将高阶间断有限元与网格自适应相结合,于非结构网格上求解二维Euler方程。将数值解多项式的高阶项贡献用人工粘性项系数的形式进行量化,网格自适应过程中以人工粘性项系数作为网格自适应的指示器。在系数达到设定的上限阀值的区域进行网格加密,在系数达到设定的下限阀值的区域将迭代过程中加密过的网格稀疏以减少网格量。所有自适应均在高阶曲线逼近真实物面的基础上进行,以保证数值结果的精度。典型数值算例结果与实验结果进行了对比,表明采用该自适应间断有限元法可以保证以尽可能小的计算量得到高精度结果。     

三维非结构自适应多重网格技术

发展了一种基于几何外形的非结构自适应多重网格技术。根据流场参数的变化梯度确定加密边,由加密准则对粗网格进行自适应剖分得到分布合理的较密网格。通过预先生成的初始极密表面网格来将边界网格的加密点投影到边界上,使得边界保持初始外形。为了提高流场求解速度,将自适应加密后的一系列网格作为多重网格,采用了多重网格算法进行计算。M6机翼的流场计算表明该方法可以准确捕捉激波位置,并且表面的压力系数分布与实验值相吻合。     

二维欧拉方程在非结构网格上的自适应有限元算法

发展了一种易于和自适应网格加密技术相结合的非结构三角形网格生成技术。这种方法的特点是域内节点可任意规定;根据欧拉方程解的误差估计,在流场某些区域增加节点后,能重新快速生成新的具有高质量三角形单元的非结构网格。欧拉方程采用Ｇａｌｅｒｋｉｎ空间离散和Ｒｉｃｈｔｍｙｅｒ两步显式时间推进相结合的有限元法求解,并以沿流线熵的变化量作为物理判据进行网格自适应加密,提高解的精度。     

一种三维并行自适应计算方法

基于串行网格划分软件METIS与并行化消息传递编程接口（ MPICH2）对现有串行自适应程序进行简单的并行化改造,给出了一种三维可压缩无粘流数值模拟的并行自适应方法。首先利用单个进程调用METIS,串行划分网格;然后对所有进程并行计算以获得初始网格下的流场解;再次利用单个进程对整个流场运用自适应方法进行局部网格加密并调用METIS串行划分网格;最后全部进程在流场初始解的基础上继续并行计算,以获得自适应网格下的流场解。数值模拟算例验证了此方法的可靠性与高效性。     

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。     

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.     

自适应网格局部加密方法在可压缩流场模拟中的应用

本文基于M.J.Berger和J.Oliger发展的自适应网格局部加密算法,它采用多个组合网格的思想,用于求解双曲型方程组。它结合显式有限差分格式,采用Richardson外推技术自动进行局部截断误差估计,对精度低的区域产生新细网格局部加密,或去除无需再加密的旧细网格,以最小的运算量达到给定的精度要求。网格可一层层加密下去,按层次覆盖,每个网格是有任意方向的矩形均匀网格。这套算法独立于求解所用的差分格式,很容易和各种格式结合。 我们从M.J.Berger和J.Oliger程序出发,参考M.J.Berger和P.Colella,对守恒型方程组,实现了粗细网格交接面上数值通量守恒,从而能计算间断解。对网格边界处理、误差估计和网格重新生成等做了一些改进,并且可以灵活地在任何感兴趣区域指定加密。 我们用不定常Euler方程组计算了带前台阶的二维管道中Mach-3流动,采用MacCormack显式附加人工粘性差分格式。共用了四层网格结构:Δ=1/10、1/20、1/80和1/320。其中基本网格是Δ=1/10;到台阶上第一次激波反射区域从Δ=1/20加密至Δ=1/80,计算到定常所需运算量仅是同等均匀网格△=1/80的28％;我们还用Δ=1/320网格对台阶拐角和切向间断处指定加密,结果表明可明显改善台阶上的激波Mach反射,切向间断清晰可辨,所需的计算量是上述均匀网格Δ=1/     

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。     

网格自适应策略在高升力构型计算中的应用

提出了一种基于多尺度网格误差分析的新型混合网格自适应局部加密策略。在初始网格基础上,通过多重网格计算,比较次细网格和细网格的计算结果,揭示出网格敏感区域,然后对这些网格敏感区域加密,计算自适应加密后的网格得到最终计算结果。相比于常规网格自适应策略,提出的新策略特别适合多种流动现象并存的高升力构型绕流流场计算中的敏感区域判断。NASA高升力全展构型的数值试验充分表明这种新策略的有效性。     

基于非结构网格的多段翼型流场数值模拟

将非结构网格生成技术应用于多段翼型流场数值模拟，针对多连通域可以快捷、迅速地生成非结构网格。通过控制背景网格节点的网格生成参数，进行网格的局部加密，提高多段翼型流场分析的精度，应用有限体积法求解欧拉方程，应用各种加速收敛措施提高流场求解速度，并将数值计算结果与风洞试验结果进行了对比分析，证明该方法具有型号设计应用价值。     

气体动理论BGK格式的网格自适应方法

为了提高气体动理论BGK（Bhatnagr-Gross-Krook）格式在超声速流动问题计算时激波捕捉的准确性与计算效率,提出了一种适用于气体动理论BGK格式的网格自适应加密方法。该方法采用基于四边形的链表技术来描述网格的拓扑结构,在物理量重构过程中,使用了在四边形网格中表现优异的van Leer限制器,以保证粗细网格过渡处物理量重构的精度。用跨声速翼型绕流（马赫数Ma=0.85）、超声速前台阶流（Ma=3）和高超声速圆柱绕流（Ma=8.03）等多个典型算例验证了BGK自适应网格方法。计算结果表明,自适应网格BGK方法在保证数值精度的前提下,可大幅度提高计算效率。这为该方法用于高效地解决复杂问题提供了一种选择。     

各向异性网格自适应计算在超燃模拟中的应用

采用各向异性网格自适应求解技术,将其应用于DLR超燃冲压发动机燃烧室中的超燃模拟.开展了3个算例,包括采用滑移壁面条件的燃烧室冷流场模拟、采用无滑移壁面条件的冷流场模拟及采用无滑移壁面条件的反应流模拟.模拟中,各向异性网格自适应计算捕捉到了如激波、射流、边界层、火焰面等具有各向异性特征的大梯度区域,并利用各向异性网格进行了很好的加密.对比利用各向同性网格的初始流场计算,各向异性网格自适应计算使基于滑移条件、无滑移条件的冷流计算及反应流计算的网格单元数量分别下降了36.2%,36.4%和36.8%,有效降低了计算规模,而且流场大梯度区域的计算结果更准确,辨析度更好.结果表明:对于像超燃这类具有各向异性特征的问题,各向异性网格系统比各向同性网格系统有更好的计算效率及准确性,同时也表明基于Mach数场构造的各向异性网格系统可以有效应用于超燃计算.      

含内嵌激波流场的自适应网格求解

为了精确求解含内嵌激波的流场，应采用自适应网格技术。本文用Ｂｒａｃｋｂｉｌｌ和Ｓａｌｔｚｍａｎ的基于变分原理的自适应网格生成方法得到了在“人造斜激波”附近自动加密的网格，然后将该方法用于圆柱体底部流场的ＮＳ方程的求解。计算结果表明，用自适应网格求解比用固定网格求解捕捉的激波宽度较窄，质量较高。     

非结构混合网格自适应并行技术

计算流体力学（CFD）模拟实际工程问题所采用的网格规模可达千万量级，并行技术是减少计算时间的有效方法。耦合流场信息的网格自适应技术能有效动态优化计算网格，被NASA视为一项亟待发展的CFD关键技术。混合网格自适应系统包含网格分布优化、表面网格投影和空间网格匹配等关键技术。针对以上3项关键技术分别建立了高效的并行算法。首先，提出了"先唯一后同一"的两步法策略实现了网格单元分布优化过程的并行相容性；其次，基于局部曲面拟合思想，实现了曲面重构和新增物理网格点投影的完全并行；再次，提出了空间网格匹配技术的半并行算法，快速解决了网格单元交错问题。为了提高后续流场计算的并行效率，发展了基于并行重分区-网格数据迁移方法的动态负载平衡技术，并采用圆柱激波流场自适应模拟对动态负载平衡技术进行初步验证。最后，采用三角翼自适应加密测试了自适应系统的并行效率。结果表明，建立的混合网格自适应系统并行效率较高，且相比流场求解耗费总时间的比例低于1%。     

三维Euler方程的自适应非结构网络计算

介绍一种三维自适应非结构网格的Euler方程求解技术。采用有限体积中心差分的格点格式对Euler方程进行空间离散,多步龙格-库塔时间推进,并采用当地时间步长、焓阻尼修正等加速收敛。采用Delaunay三角剖分技术生成三维流场的四面体网格。网格自适应技术中的网格局部加密也采用Delaunay三角剖分技术。最后用ONERAM6机翼的跨音速绕流计算说明本文方法的有效性。     

基于各向异性非结构网格的超声速流动自适应计算

基于各向异性非结构网格,实现了自适应求解技术,将其应用于超声速楔形体绕流及超声速横向喷流问题的计算研究,对各向异性网格自适应计算过程的收敛性和求解精度进行了对比分析,展示了各向异性网格自适应算法在降低问题求解规模。提高各向异性流场分辨率等方面的优势及存在的问题。超声速楔形体无粘绕流场的自适应计算,清晰地捕捉到了激波附近的流场信息,激波前后的马赫数、压力、密度。温度等物理量与理论分析解吻合很好。超声速横向喷流流场存在激波、分离涡、边界层等流场结构的相互干扰。计算研究表明,单纯基于Hes-sian度量张量的各向异性网格生成及自适应算法不能有效模拟边界层内的流动情况,是将来需要进一步开展的研究挑战。     

非结构混合网格鲁棒自适应技术

数值格式、湍流模型和计算网格是影响CFD数值模拟精度的3个主要因素。结合流场信息的网格自适应技术具备动态优化计算网格的能力,被NASA列为未来CFD发展的一项关键技术。本文针对非结构混合网格,发展了网格单元分布优化、表面网格几何投影和空间网格协调匹配3项关键技术,建立了高鲁棒性几何保真的网格自适应系统。首先,为了提高自适应方法的鲁棒性和通用性,发展了基于标准面网格的多面体网格单元分布优化方法。其次,发展了仅依赖表面网格信息的局部曲面重构技术,采用参数点映射方法实现了新增表面网格点的几何投影,消除了自适应系统对几何CAD系统的依赖。再次,采用改进的距离函数方法实现了空间网格与投影后表面网格的快速匹配。最后,结合基于流场特征的自适应探测器,采用二阶格式的有限体积方法,开展了30P30N三段翼绕流和三角翼大迎角绕流的网格自适应数值模拟。结果表明,通过网格自适应对网格单元的分布进行优化后,流场求解的收敛性和模拟精度都得到了显著提高。