自适应笛卡尔网格超声速黏性流动数值模拟

复杂外形/流场的高质量网格的生成往往需要占用大量人力资源,而自适应笛卡尔网格方法能够自动化生成高质量网格,具有很好的工程实用价值和应用前景。基于笛卡尔网格方法,采用叉树数据结构进行数据的存储和访问,分别从几何特征和流场解特征出发进行网格的自适应加密和粗化,发展了一种二维情况下自动、高效的自适应笛卡尔网格生成方法。从浸入边界方法出发,结合虚拟镜像对称方法和曲率修正技术进行黏性物面边界条件的处理,同时建立了多值点问题的处理技术,发展了一种在笛卡尔网格下可有效模拟黏性物面边界条件的方法。针对自适应笛卡尔网格非均匀的特点,发展了悬挂网格的处理方法,并构建了适用于自适应笛卡尔网格的黏性数值求解器。通过典型算例的考核,验证了所发展的自适应笛卡尔网格生成技术和构建的数值求解器具有较高的精度和可靠性。     

基于粘性笛卡尔网格的N-S方程计算

本文采用基于叉树数据结构的粘性笛卡尔网格求解N-S方程。为了使网格的分布更为合理,采用基于物体几何外形的方法对网格进行自适应加密。在物面处采用光顺、投影、分割加密的方法保证了物面处网格的正交性与贴体性,从而生成高质量粘性笛卡尔网格。将有限体积法应用于粘性笛卡尔网格求解N-S方程,采用了SA紊流模型。算例计算结果与实验数据符合良好。     

基于全线程树数据结构的笛卡尔网格高效生成技术

笛卡尔网格方法具有易于自适应、自动化程度高、网格质量好等优势。由于其非贴体特性,在处理复杂构型或者复杂流动问题时候往往存在网格量过大的问题,不容忽视。笛卡尔网格生成的效率直接影响了整个计算周期的长短,有必要发展高效的生成技术。对于笛卡尔网格而言,决定网格生成效率的关键在于网格数据结构,其直接影响计算量和存储量。针对三维构型进行笛卡尔网格生成,发展了邻居查询更快捷、内存利用率更高的全线程树数据结构,并在本文的方法框架下进行了适应性应用和改进。同时,为了高效地判断网格单元类型,构建了物面单元的快速检索方式,并引入了染色方法,进一步提高网格生成效率。还提出了一种鲁棒的奇异性检测算法,保证网格单元类型判断的鲁棒性。在流场解自适应方面,采用的是速度散度和旋度相结合的三维判据,以保证对于多种流动特征的捕捉能力。通过圆球、导弹、翼身组合体、机翼-副翼等算例进行了考核验证,经对比,网格自适应位置与理论解吻合较好,且网格单元生成耗时短、平均耗时受物面网格分布影响小,证明了方法的可靠和高效性。     

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。     

二维多段翼型网格生成与数值模拟研究

为提高多段翼型的网格生成效率和数值模拟精度,发展了一套自适应混合笛卡尔网格(AHCG)生成方法和基于有限体积方法的雷诺数平均Navier-Stokes (RANS)的数值求解技术.混合笛卡尔网格由围绕物体几何外形的贴体结构网格和填充流场其他区域的笛卡尔网格构成,两套网格之间的信息传递由“贡献单元”提供,且“贡献单元”由基于ADT(Alternating digital tree)技术的搜寻方法获得.为更准确地捕捉流场信息,采用了基于流场特征的网格自适应技术.数值模拟结果显示,AHCG方法能够准确且高效地模拟高升力多段翼型绕流问题.     

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。     

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。     

基于混合笛卡尔网格的翼型绕流数值模拟

在对重叠网格技术研究的基础上,一套以笛卡尔网格为主体、贴体的结构网格为特殊固壁边界的混合笛卡尔网格(Hybrid Cartesian Grid,HCG)生成方法得到了发展,同时基于流场特征的笛卡尔网格自适应技术和有限体积方法的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)的数值求解方法也得到了开发。通过对经典跨音速RAE2822翼型、双NACA0012翼型和高升力两段NLR-7301翼型进行绕流数值模拟,获得了较好的结果,验证了方法的可行性与精确性,为研究二维复杂外形流动问题提供了一种解决方法。     

基于混合笛卡儿网格方法的可压流动数值模拟

以可压缩黏性流动的数值模拟为研究背景,发展了一套自适应混合笛卡儿网格(AHCG)方法以及基于有限体积方法的雷诺数平均Navier-Stokes(RANS)的数值求解方法.为更好地模拟边界层的黏性流动在近壁面处采用贴体结构网格,剩余计算区域自动生成与之相重叠的笛卡儿网格,并同时发展了基于流场特征的笛卡儿网格自适应技术.结合ADT(alternating digital tree)算法显著减少了网格生成中“挖洞”和“贡献单元”搜索的消耗机时,50万左右的网格数目下,搜索耗时为0.062s,仅为普通遍历方法的1/1847.通过二维圆柱与两段翼型绕流的数值算例显示,定常AHCG方法能够准确地预测物面压力分布与升阻力系数并且具备处理复杂外形的能力;同时通过二维非定常圆柱绕流问题与NACA0015矩形机翼翼尖尾涡的捕捉算例显示,结合了动态自适应网格加密的非定常AHCG方法尤其适用于旋涡主导流动.      

基于STL文件的笛卡尔网格生成方法研究

采用从STL文件中直接获取模型几何数据的方法,利用ADT数据结构快速剔除相同顶点,提出一种新的“推进查找”方法替代以往网格单元是否在物面内部的判定方法,避免了对物面的自封闭要求,无需进行几何重构,直接完成网格生成,更进一步提高了自适应笛卡尔网格生成速度和自动化程度,为实现CAD与CFD的之间的数据对接提供了一种新的方式。     

分层嵌套重叠网格自适应树结构动态组装方法

采用重叠网格可以有效地进行复杂流动的大规模数值模拟,特别是包含运动部件(如旋翼、投弹)的动态模拟。本文将树结构的自适应直角网格用于重叠网格组装过程中的切割和贡献单元的搜索,大大加快重叠网格的组装速度。通过二叉树自适应直角网格对物体外形进行离散,实现切割过程的快速定位;采用八叉树自适应直角网格对流场区域进行离散,高效地搜索贡献单元。使用基于壁面距离准则的重叠区域最小化方法和分层嵌套重叠策略,能提高重叠网格组装的效率和质量。对于具有运动部件的动态重叠网格问题,采用多个二/八叉树减少组装过程中信息更新的冗余计算,从而大幅度减少重叠网格组装的时间消耗。实际算例的重叠网格组装结果说明本文发展的重叠网格组装方法具有很高的计算效率,可以满足运动边界复杂流动问题的动态计算要求。     

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.     

An automatic isotropic/anisotropic hybrid grid generation technique for viscous flow simulations based on an artificial neural network

Based on the author’s previous research, a novel hybrid grid generation technique is developed by introducing an Artificial Neural Network(ANN) approach for realistic viscous flow simulations. An initial hybrid grid over a typical geometry with anisotropic quadrilaterals in the boundary layer and isotropic triangles in the off-body region is generated by the classical mesh generation method to train two ANNs on how to predict the advancing direction of the new point and to control the grid size....     

三维非结构贴体直角网格的N-S方程数值模拟

基于八叉树数据结构,采用直接分层光顺的方法,解决了非结构直角网格在物面不正交贴体的难点,发展了任意复杂外形的三维非结构贴体直角网格,并且可以根据流场特征进行自适应处理。在此基础上采用最小二乘法对N-S方程进行了MUSCL有限体积法的非结构网格的粘性求解,提出了带约束边界条件的最小二乘法的处理办法。计算表明,三维非结构贴体直角网格的粘性求解,可以适应各种高超声速的复杂外形,计算结果与试验吻合较好。     

Enhancement and Application of Overset Grid Assembly

 In this article, the overset grid assembly method is improved to efficiently solve several critical problems that occur when applying overset grids to the complicated geometries and moving body. First, instead of using the two-step searching (i.e. cut and paste), a single-step searching method based on the grid cell size is proposed to modify holes and optimize the grid over-lapping automatically. Second, discrepancies between the wall surface representations, where the grids overlap, are handled by introducing the wall’s normal directions to the hole-map and projecting the interpolated points on the recipient mesh into the donor mesh. Finally, the dynamic overset method is modified to address the complex moving body problem. At every time step, the initial hole surface of the previous time step is dynamically adjusted to accomplish hole cutting and avoid the time con-suming hole-map procedure. Numerical experiments show that the enhanced overset grid assembly method obtains satisfactory results.     

三维Euler方程自适应八叉树结构各向异性直角网格算法

采用各向异性直角网格对相应的三维复杂流场进行了模拟 ,提出了物面三角化方法及网格与物面的相交判断过程。用以中心差分为基础的 Jameson的有限体积法对 Euler方程进行求解。计算结果表明 ,各向异性直角网格算法对相应流场进行模拟 ,计算时间较短而效果较好     

复杂外形的动态混合网格生成方法

本文将层推进方法、四分树方法和阵面推进法相结合,建立了二维复杂外形的动态混合网格生成方法.首先用层推进方法在运动物体附近生成贴体的四边形网格,然后用四分树方法在外场生成自适应的矩形网格,而中间由三角形网格过渡.三角形网格由阵面推进法生成,并由节点松弛和"对角线交换"方法进行优化.当物体运动时,贴体的四边形网格随物体运动而运动,而外场的矩形网格保持静止.中间过渡层的三角形网格随物体运动而变形.当物体运动位移较大导致出现质量较差的单元甚至导致网格相交时,则在局部重新生成网格.利用上述动态混合网格生成方法,生成了多种含相对运动的复杂外形的动态混合网格,网格质量令人满意.