预处理方法在化学非平衡流场数值模拟中的应用

将预处理方法发展应用于化学非平衡流场的数值模拟中。采用有限差分,LU-SGS隐式方法对二维可压化学非平衡控制方程进行了耦合求解,对化学源项和无粘项隐式处理,粘性项则采用显式。通过化学反应剪切层和激波点火的算例表明,所采用的数值方法能够有效求解化学非平衡流场,证明了本算法的可行性,为下一步的工程应用奠定了基础。     

空化流动隐式求解方法研究

空化流动问题本质上是可压缩流动,应用可压缩方法开展数值模拟研究更符合物理实际。气体和液体压缩性的显著差别使得低速空化流动数值模拟的刚性问题非常突出,通过引入预处理技术解决低速问题中由于特征值量值不一致导致的收敛刚性问题,提高收敛速度。同时,以预处理后的特征值构造Roe格式耗散项,提高低速流动计算精度。鉴于自然空化流动中气液组分转换现象和物质输运现象并存,且气体和液体的密度在常温状态下存在显著差别,预处理后的源项雅克比矩阵的特征值与无粘通量雅克比矩阵的特征值存在量级的差异,这会使得求解过程不稳定或收敛速度极慢,即出现"源项刚性"问题。为此,本文系统推导了预处理框架下的气液两相流隐式求解方法,采用点隐式方法处理源项,通过直接求逆的方式增强算法的稳定性。研究中分别考察了三种不同的算子分裂方式在LU-SGS(Lower-Upper Symmetric-Gauss-Seidel)隐式迭代中的模拟效果,并提出适用于DDADI(Diagonally Dominant Alternating Direction Implicit)的算子分裂方式,在NACA0015水翼空化算例模拟中综合比较了上述四种隐式迭代方式对低速空化问题收敛性的影响。最后,应用本方法对三维尖锥自然空化算例进行了考核模拟,捕捉到自然空泡流场中的主要特征,计算结果与试验测量结果吻合。     

间断Galerkin有限元隐式算法GPU并行化研究

为了提高间断伽辽金（discontinuous Galerkin, DG）有限元方法的计算效率,围绕求解Euler方程,构建了基于图形处理器（graphics processing unit, GPU）并行加速的隐式DG算法。算法结合Roe格式进行空间离散,采用人工黏性法处理激波等间断问题,时间推进选用下上对称高斯-赛德尔（lower-upper symmetric Gauss-Seidel, LU-SGS）隐式格式。为了克服传统隐式格式固有的数据关联依赖问题,借助于本文提出的面向任意网格的单元着色分组技术,先给出了LUSGS隐式格式的并行化改造,使得隐式时间推进能按颜色组别依次并行,由于同一颜色组内算法已不存在数据关联,可以据此实现并行化。在此基础上,再结合DG算法局部紧致等特点,基于统一计算设备架构（compute unified device architecture, CUDA）编程模型,设计了依据单元的核函数,并构建了对应的线程与数据结构,给出了DG有限元隐式GPU并行算法。最后,发展的算法通过了多个二维和三维典型流动算例考核与性能测试,展示出隐式算法GPU加速的效果,且获得...     

叶栅绕流计算的高分辨率隐式解法

以一种性能优越的高分辨率格式为基础, 发展了其隐式解法, 提出并实现了与这种格式相适应的隐式边界处理过程, 从而显着提高了高分辨率格式的收敛速度。用不同来流条件下叶栅绕流数组计算结果与实验做了对比, 以说明解的准确程度和本文算法的效果。      

IN 738LC材料Chaboche热粘塑性本构模型的隐式Euler格式

为了提高Chaboche模型的数值积分效率,推导了该模型的Eu ler隐式积分格式,针对IN 738LC材料,将该积分格式编写成FORTRAN程序,利用通用有限元分析软件M arc的用户子程序接口HYPELA 2,将该隐式积分格式与有限单元法结合起来。对实验进行了数值模拟,并将隐式算法和显式算法与实验结果作了对比,结果发现隐式算法是合理的,比显式算法收敛性要好。      

利用GPU加速的三维N-S方程求解器研究

将三维可压缩Navier-Stokes方程求解器LMNS3D移植至GPU平台,研究了显式和隐式两种时间推进方法下利用GPU加速的策略与效果。其中显式方法采用五步Runge-Kutta法;隐式方法中由于LU-SGS算法数据依赖性强,不适于并行计算,因而采用了DP-LUR方法。测试表明,程序在双精度下可取得与原CPU代码一致的运算结果,并可获得约20x(RK)与15x(DP-LUR)的加速效果。     

求解N-S方程的一个简单隐式算法

1.引言 近十几年来,求解分离流动的N-S方程的数值解法,取得了很大进展。显式有限差分解已发展得较为成熟。但由于稳定条件的限制,获得稳定解的计算时间较长。为了克服这一困难,发展了隐式方法,如隐式因式分解法和交替方向的隐式方法。但是这些方法都要求解三对角矩阵方程,同显式方法比较,程序复杂,每步计算时间较长。为了避免三对角矩阵迭代的困难,MacCormack提出了新的隐式算法,其计算迭代过程为两对角矩阵追杆。本文在[1]的基础上,提出了一种更为简单的隐式算法,其迭代过程     

用隐式高精度间断伽辽金方法模拟可压层流和湍流

为了提高隐式高阶间断伽辽金数值方法的稳定性,发展了一种基于解析精确Jacobian矩阵的GMRES隐式方法,用于求解可压缩层流和湍流问题。在GMRES的求解中,无黏通量和黏性通量的Jacobian矩阵采用链式法则解析精确求解,并用于线性系统方程的LU-SGS预处理和GMRES矩阵矢量生成;与此同时,对修正的负Spalart-Allmaras湍流模型的生成源项进行了修正,以避免隐式化求导时出现非物理解。通过典型层流和湍流算例对发展的方法进行了验证,研究结果表明:基于精确Jacobian矩阵的隐式GMRES方法,不仅能够提高隐式高精度间断伽辽金方法计算的稳定性,而且还能够提高计算效率。     

涡扇发动机加减速特性显式与隐式计算方法

为了探索一种便于进行涡扇发动机过渡态控制规律设计的性能计算模型,提出了基于部件法的涡扇发动机加减速的显式格式和隐式格式计算方法,该方法通过在发动机计算模型中直接给定喘振裕度限制值、燃烧室油气比限制值和涡轮进口总温的限制值,计算出最优的加减速特性,进而获得发动机的最优加减速控制规律。计算模型针对不同的给定值,选择了不同的燃烧室容积效应模型。证明了对一般的涡扇发动机,隐式格式计算模型中,给定压气机喘振裕度算法的解是唯一的。以某涡扇发动机在地面的加减速过程为例,按最优加减速控制规律计算,显式格式算法和隐式格式算法的结果误差小于1.3%.对给定高压转子转速加速率的加速特性也进行了验算,计算结果与最优加速过程的结果误差小于1.7%.本文提出的加减速特性计算方法可为涡扇发动机的过渡态开环和闭环控制规律设计提供便捷的手段。     

不同马赫数的无粘和粘性流动高阶精度隐式计算方法

 应用隐式时间推进法对不同马赫数的无粘和粘性流动进行数值分析,给出了基于预处理方法的高阶精度隐式求解方法。方程离散采用改进的高阶精度对流迎风分裂格式。该方法通过求解曲线坐标系可压缩Euler和 Navier-Stokes方程,对低速到超音速范围内的无粘和粘性流动的典型问题进行了数值分析。计算结果与文献的数值结果或实验数据对比分析表明,该方法对低速到超音速范围内的无粘和粘性流动问题进行数值分析是可行而有效的。     

斜激波极值规律的边界层影响

采用边界层理论与斜激波/膨胀波精确算法，建立一种结合Eckert参考温度法和Illingworth-Stewartson变换法优势的边界层权重算法，用于研究超声速黏性楔面边界层位移厚度对斜激波极值规律的影响。分别应用层流Navier-Stokes方程和湍流Navier-Stokes方程的CFD解算器对边界层新模型进行了算例精度评估。在来流马赫数为1.2~2.4和楔面角为3°~20°的范围内，压强比的相对误差小于0.1%。计入层流与湍流边界层影响的理论模型研究表明，边界层影响使得最优马赫数增加；对于层流边界层，最优马赫数增量约为0.001 5~0.003 3；对于湍流边界层，最优马赫数增量约为0.002 8~0.006 1。     

Experimental investigation on aero-heating of rudder shaft within laminar/turbulent hypersonic boundary layers

The aero-heating of the rudder shaft region of a hypersonic vehicle is very harsh, as the peak heat flux in this region can be even higher than that at the stagnation point. Therefore, studying the aero-heating of the rudder shaft is of great significance for designing the thermal protection system of the hypersonic vehicle. In the wind tunnel test of the aero-heating effect, we find that with the increase of the angle of attack of the lifting body model, the increasement of the heat flux of the rudder shaft is larger under laminar flow conditions than that under turbulent flow conditions. To understand this, we design a wind tunnel experiment to study the effect of laminar/turbulent hypersonic boundary layers on the heat flux of the rudder shaft under the same wind tunnel freestream conditions. The experiment is carried out in the ?2 m shock tunnel(FD-14 A) affiliated to the China Aerodynamics Research and Development Center(CARDC). The laminar boundary layer on the model is triggered to a turbulent one by using vortex generators, which are 2 mm-high diamonds. The aero-heating of the rudder shaft(with the rudder) and the protuberance(without the rudder) are studied in both hypersonic laminar and turbulent boundary layers under the same freestream condition. The nominal Mach numbers are 10 and 12, and the unit Reynolds numbers are2.4 × 10~6 m~(-1) and 2.1 × 10~6 m-1. The angle of attack of the model is 20°, and the deflection angle of the rudder and the protuberance is 10°. The heat flux on the model surface is measured by thin film heat flux sensors, and the heat flux distribution along the center line of the lifting body model suggests that forced transition is achieved in the upstream of the rudder. The test results of the rudder shaft and the protuberance show that the heat flux of the rudder shaft is lower in the turbulent flow than that in the laminar flow, but the heat flux of the protuberance is the other way around,i.e., lower in the laminar flow than in the turbulent flow. The wind tunnel test results is also validated by numerical simulations. Our analysis suggests that this phenomenon is due to the difference of boundary layer velocities caused by different thickness of boundary layer between laminar and turbulent flows, as well as the restricted flow within the rudder gap. When the turbulent boundary layer is more than three times thicker than that of the laminar boundary layer, the heat flux of the rudder shaft under the laminar flow condition is higher than that under the turbulent flow condition. Discovery of this phenomenon has great importance for guiding the design of the thermal protection system for the rudder shaft of hypersonic vehicles.     

粘性不可压流动压力修正的有限元计算

将ＳＩＭＰＬＥ方法压力修正思想应用于有限元方法，对粘性不可压缩流动的ＳＵＰＧ有限元方程，建立将压力与速度分离，进行压力修正迭代的计算格式；对典型算例进行多个Ｒｅ数的层流，湍流计算，显示此方法具有良好的收敛性和精度。     

激波结构内流动问题的气体运动论描述

从介观Boltzmann速度分布函数理论出发,发展计及分子粘性碰撞截面与扩散碰撞截面,可描述各流域一维气体流动问题的Boltzmann简化速度分布函数方程及其气体运动论数值计算方法。通过对不同Knudsen数下非定常激波管流动及不同马赫数定常正激波结构问题数值模拟,研究分析不同流区的激波突跃变化过程以及近连续流、稀薄过渡流特有的分子输运现象,揭示不同马赫数、不同分子模型的激波内流动与传热变化规律,证实基于Bo-ltzmann模型方程的气体运动论数值计算方法用于激波结构内流动研究的准确可靠性。     

颗粒在非各向同性均匀湍流中的扩散

本文是颗粒在非各向同性均匀湍流场中扩散的数值研究结果。通过采用一组预置协方差的随机数模拟雷诺应力来表示随机的湍流流场。本文报导了湍流强度、速度松弛时间和雷诺应力对颗粒扩散的影响。     

微可压缩模型(SCM)与可压缩N-S方程数值计算对比研究

本文开展了微可压缩模型与可压缩N-S方程之间的对比研究.通过对层流平板边界层和椭球高雷诺数湍流绕流的数值模拟,比较了微可压缩模型和可压缩N-S方程之间的计算精度和效率.计算结果表明,微可压缩模型和可压缩N-S方程具有相同的计算精度,但是微可压缩模型具有更高的计算效率,内存和CPU时间都节省20%左右.     

带操纵面机翼的非定常跨声速流数值解法

本文介绍一种带操纵面机翼的非定常跨声速流的有限差分计算方法。采用的方程是三元非定常跨声速修正小扰动位势方程,使用时间积分法,求解格式是近似因式分解交替方向隐式(ADI)格式。使用这种方法计算了F-5机翼在来流马赫数为0.9和0.925时的定常气动力和操纵面振荡的非定常气动力。计算结果与国外的NLR试验结果和XTRAN3S方法的计算结果进行了比较,表明计算是成功的。     

二维超／高超声速进气道流场数值模拟

对超／高超声速三级压缩进气道流场进行了数值模拟,来流马赫数为4、6,进气道内流动为层流状态,根据二维Navier-Stokes方程,采用二阶精度Roe格式进行离散。按照流场特点,合理地设计网格分布及调整不同黏性范围的熵修正,防止了壁面附近过大的数值耗散,使计算结果更加合理。在进气道模型的各级压缩折转角处,获得了清晰的激波结构,在进气道内部的各种波系的相交、反射和激波诱导的边界层分离等现象都得到合理的描述。计算得到的压力分布,在各级压缩斜板上同简单波理论结果十分接近。用本文方法计算了另一个二级压缩进气道,沿上、下壁面的压力分布与试验比较符合得较好。     

一种二元高超声速进气道起动特性的尺度效应研究

对一种二元混压式进气道三维流场进行了数值和实验考察,研究了不同尺度进气道模型自起动性能的变化。结果表明,在相同来流单位雷诺数条件下,随着模型尺度的减小,进气道自起动马赫数有所提高,起动性能有所降低。同时对不同尺度模型进行雷诺数匹配,发现在相同雷诺数下,不同尺度模型的起动性能相近,表明雷诺数是影响不同缩尺模型起动性能不同的主要原因。在可获得的实验结果范围内,数值模拟所得到的自起动结果基本与之相符。此外,对实验中发现在低雷诺数下进气道反而呈现出自起动特征的异常现象进行了初步分析,通过数值模拟比较指出了低雷诺数下来流偏向层流流态,可能会导致进气道呈现一种“起动”状态。