Roe格式在水滴欧拉方程数值求解中的应用

目前普遍采用欧拉法求解水滴运动控制方程以模拟结冰表面水滴撞击特性。水滴欧拉方程近似没有压力项的空气欧拉方程,但已应用于空气欧拉方程的空间离散格式多数不能直接应用于水滴欧拉方程,有研究者将经典Roe格式应用于水滴欧拉方程时出现了奇点问题。通过对水滴欧拉方程进行形式改造,基于中心格式验证改造方法的有效性,并应用Roe格式结合线性重构与限制器函数实现对水滴欧拉方程二阶精度的求解。将NACA23012翼型计算结果与FENSAP-ICE软件进行对比,两者水滴收集系数分布基本一致。     

新型高低速流统一算法及其叶轮机应用

 对于可压缩/不可压缩混合流动或高低速混合流动问题,目前没有较好的解决方法。基于Roe格式及预处理方法,提出了全速度Roe格式。全速度Roe格式是将Roe格式与低速Roe格式通过一个与本地马赫数相关的函数联合而得到的。与标准Roe格式相比,对亚音速流动,全速度Roe格式中声速对数值耗散的影响随着马赫数变化而变化。与预处理Roe格式相比,全速度Roe格式简单易于实现,而且没有计算稳定性的限制,不需要采用全局截断处理,从而在理论上对高低速流动具有一致精度。事实上,全速度Roe格式意味着可以通过直接改变Roe格式的非线性特征值,解决可压不可压流动统一计算精度的问题。这是对统一算法的新观点。数值模拟表明,全速度Roe格式具有与预处理Roe格式一样的激波捕获能力、极低速流动准确模拟能力。     

几种常用格式和湍流模型在高速流动中的适用性研究

针对高超声速飞行器中存在的强激波、激波/边界层干扰、分离、湍流等复杂流动现象,对比分析了当前计算流体力学中的主要空间离散格式及湍流模型,发现不同格式对强激波的分辨率基本相同,Roe和LDE(low diffusion E-CUSP(convective upwind split pressure))格式对摩擦因数和传热系数的模拟优于其他格式;S-A(Spalart-Allmaras)一方程湍流模型计算的摩擦因数比k-ωSST(shear stress transport)两方程湍流模型高10%左右,而后者预测的分离区约为前者的2倍,且分离点靠前.     

悬停旋翼无粘流场数值模拟中的多重网格方法

发展了一种基于不同空间离散格式的多重网格算法,并应用于悬停旋翼无粘绕流的Euler方程数值模拟。由于悬停旋翼流场中存在不可压区域,同时旋翼尾涡系统的发展需要较长的时间,使得旋翼流场的收敛速度远低于固定翼流场,因此研究旋翼流场的多重网格算法具有重要意义。空间离散采用了Roe s FDS格式和Jameson中心有限体积格式,时间推进应用了五步Runge-Kutta方法。采用多重网格V循环方式,对一跨声速悬停旋翼无粘流场进行了数值计算。计算结果表明:多重网格算法可以显著加速悬停旋翼无粘流场的数值计算收敛速度;无论在激波分辨率还是在计算精度上,Roe s FDS格式都优于JST格式。     

二维非结构网格上的高阶间断有限元方法研究

对二维非结构网格上的求解欧拉方程的高阶间断有限元方法进行了研究.运用间断有限元基本理论,采用多项式基函数对解进行近似描述,欧拉方程的数值通量项运用高斯积分公式和Roe格式求取,时间推进采用传统四步Runge-Kutta方法.运用发展的间断有限元方法对NACA0012翼型在亚跨音速情况下的无粘流动和圆柱的低速无粘流动进行了数值计算,结果表明:间断有限元方法具有良好的收敛特性、很小的数值耗散和很好的激波捕捉能力.     

多重网格加速的LUSGS算法用于喷管流场数值模拟

采用有限体积法,二阶精度插值的Roe格式对三维流场N-S方程进行空间离散;采用LUSGS隐式时间推进法和多重网格技术加快计算收敛速度;采用独特的显式算法克服了两方程湍流模型刚性对流场计算收敛速度的影响,并给出了该方法的理论依据。通过轴对称喷管内流场、二元喷管内外流场的数值模拟验证了采用以上方法在计算效率上的提高。最后将RNG模型计算结果与SA模型计算结果及实验数据做对比分析。     

剪刀式尾桨悬停状态气动力及噪声特性计算研究

建立了一个基于计算流体力学(CFD) /FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的预测剪刀式尾桨悬停状态气动性能和噪声特性的分析方法.该方法首先采用CFD方法对尾桨流场进行求解,并应用嵌套网格技术对流场空间进行离散.控制方程采用非惯性坐标系下的Navier-Stokes方程,空间方向采用二阶迎风格式(Roe格式)进行求解,时间方向采用隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)格式进行推进.在此基础上,采用FW-H方程将尾桨噪声声压扰动传播至远场,以获得尾桨的噪声特性.应用该方法对两种剪刀式尾桨构型(“L”构型和“U”构型)进行了计算研究,对比分析了剪刀式尾桨在气动力和噪声方面与常规尾桨的差别,以及两个重要构型参数(剪刀角和轴向间距)对剪刀式尾桨气动力和噪声的影响规律.计算结果表明,构型参数对剪刀式尾桨气动力和噪声特性影响很大,合理地选择构型参数可以降低尾桨噪声水平.     

点隐式龙格-库塔方法的应用研究

为了提高求解器的效率,在显式龙格-库塔时间推进的欧拉方程求解器之上,发展了点隐式龙格-库塔时间推进格式。给出了其推导过程和非结构网格下中心格式和迎风格式（Roe和Van Leer格式）预处理算子的构造方法。NACA0012翼型和RAE2822翼型的跨音速无粘流动模拟表明：与显式龙格-库塔方法相比,方法能提高求解效率且内存需求相当,具有一定的工程应用价值。     

GMRES算法在悬停旋翼数值模拟中的应用

发展了一种基于广义极小残差(GMRES)算法的悬停旋翼数值模拟方法,并对GMRES算法中矩阵与向量乘积的两种计算方法进行了分析和讨论。应用该方法在旋转坐标系中采用非结构混合网格和格点格式有限体积法对以绝对速度为变量的欧拉方程进行了直接求解,其中对流项的离散应用了基于Roe的Riemann近似解的迎风格式。对Caradonna-Tung旋翼跨声速悬停流场进行了数值模拟,计算结果与相关实验数据吻合较好,并与LU-SGS方法进行了对比,表明GMRES算法可以有效地加速流场的收敛,提高计算效率。     

面向混合网格高精度阻力预测的熵修正方法

Roe通量差分分裂格式具有耗散小、分辨率高等特点,在亚跨超声速流场模拟中得到广泛应用,但空间离散时需要对Roe平均矩阵的特征值进行熵修正,使用熵修正会增大耗散,影响阻力的求解精度。本文针对非结构混合网格中Roe格式熵修正的特点,通过改进传统的Roe格式Harten-Yee熵修正方法,提出了一种可提高非结构混合网格黏性计算精度的Harten-Yee熵修正改进方法。利用改进后的方法,完成了DLR-F4翼身组合体算例的计算和对比分析,改进后的熵修正方法残差收敛特性与原始Harten-Yee熵修正一致,计算精度提高,计算结果和无熵修正时基本一致,说明改进后的熵修正方法既保留了使用熵修正带来的程序鲁棒性等优点,同时把熵修正对阻力预测精度的影响降到了最低,验证了方法的有效性。采用改进后方法对第3届AIAA阻力会议的计算模型DLR-F6翼身组合体进行了详细的模拟,分析了网格收敛性和雷诺数的影响。结果表明：改进的Harten-Yee熵修正,更加适用于非结构混合网格的黏性计算,计算精准度达到国际同类CFD软件水平,进一步验证了改进方法的可靠性。     

用虚拟黏性法构造Navier-Stokes方程黏性项的隐式格式

提出的虚拟黏性法是一种关于Navier-Stokes方程黏性项(黏性应力项和传热项)的隐式新方法。通过引入虚拟时间和虚拟黏性项,将隐式格式的构造大大简化,从而避免了大型复杂隐式差分方程组的常规求解。在虚拟时间推进过程中所需求解的方程组的系数矩阵是一个三对角矩阵,它具有计算简单且计算量小的优点。用模型方程和Navier-Stokes方程进行了数值仿真,研究各种参数对计算的影响,并在精度和效率上与显式方法进行比较,证实了算法的正确性和优势。最后分析了本文格式的适用范围。     

高超声速边界层感受性问题高精度数值模拟

通过五阶WENO格式和六阶对称紧致格式以及三阶TVD R-K结合的方法,对存在强激波和小扰动相互干扰的高超声速边界层感受性问题进行研究.结果表明:此方法能够模拟边界层内不稳定波的产生和发展以及小扰动和激波相互干扰等现象,因此能广泛应用于含激波的感受性等问题的可压缩湍流直接数值模拟以及具有激波和边界层干扰等复杂流场的计算.     

固体火箭发动机的三维仿真研究动态

固体火箭发动机的燃烧过程存在强烈的耦合和非线性现象,目前国内外对其仿真大多采用简单的一维仿真,而美国的高级火箭仿真中心(CSAR)正在开发三维的、完全耦合的固体火箭发动机仿真软件.详细介绍了它的第二代仿真软件GEN2的程序结构、算法及其测试结果,它采用任意拉格朗日/欧拉(ALE)形式的流体和固相控制方程分别求解流场和结构的变形和移动;采用显式的或隐式的时间步迭代法来实现流体/结构间的耦合;应用粘性/体积有限元(CVFE)方案模拟界面间裂纹的动态扩展.测试结果表明:GEN2具有很好的并行可量测性.     

多体分离非定常气动特性数值模拟

发展建立了用于研究多体分离的非定常流场数值模拟方法,该方法采用网格弹性变形的结构网格动网格技术,采用有限体积法求解ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)描述形式的三维非定常Euler方程,与刚体运动方程耦合,数值模拟了子弹穿越母弹头部激波的子母弹分离过程,并与采用攻角修正的准定常计算结果进行了对比分析,表明多数情况下两种数值方法得到的结果比较接近。     

叶轮机转子内流动的三维跨声Navier-Stokes方程组数值计算

应用有限体积法及Baldwin-Lomax代数紊流模型求解叶轮机转子内流动的三维可压缩非定常薄层Navier-Stokes方程组,计算一个绕X轴等转速旋转的转子内流场问题,用当地时间步长方法来加速收敛。采用隐式算法对对流通量进行求解,而扩散通量采用显式算法。采用高阶TVD下的Roe格式计算对流通量,采用中心差分格式计算扩散通量。关于守恒变量Q的非线性方程组,采用牛顿迭代方法求解,线化后的方程用对称的Gauss-Seidle方法求其渐近解。应用该算法模拟了转子NASARotor67流场,与试验做了大量的对比研究,包括性能、等马赫线以及总压和总温等等。在最高效率点附近计算与试验比较接近,但在靠近失速点时计算与试验略有差别。      

透平机械空穴漏气非定常流动的数值模拟

为了解空穴漏气在透平中非定常流动,对某型带空穴漏气单级透平进行非定常数值模拟,计算格式采用包括LU-SGS-GE隐式格式和改良型高精度、高分辨率的MUSCL TVD格式的时间推进算法,非定常计算采用Jameson双时间步隐式迭代法.计算结果表明空穴漏气随着二次流的影响沿着动叶吸力面一侧向下游输运,输运过程中会不断沿径向向外迁移.由于空穴漏气的射入,非定常效应在动叶叶根处要比中间截面处明显,而且随着漏气向下游的迁移,非定常效应也逐渐削弱.      

多重网格方法及其在高超声速进气道中的应用

随着计算流体力学的发展,多重网格在求解欧拉方程、N—S方程过程中得到了广泛应用。将这种方法应用于高超声速进气道的数值模拟中,通过具体的算例,验证了该方法的有效性。     

叶轮机械三维粘性动静叶干涉的数值模拟

本文发展了 1套模拟叶轮机械三维粘性动静叶干涉的数值方法。在成熟的空间离散方法基础上 ,提出了 1种高效的双时间步隐式时间推进方法 ,并构造了一种保证守恒的动静叶交界面处的数值通量计算方法。本文对某三维亚音速涡轮的动静叶干涉进行了数值模拟 ,结果与实验符合较好。     

球心非对称的钝圆头体近区绕流场气动特性分析研究

本文采用数值模拟对球心非对称的钝圆头体附近流场气动特性进行分析研究。数值求解三维可压缩NS方程，采用NND格式，以修正的Baldwin-Lomax代数模型对不同飞行状态进行数值模拟，分析了球心非对称钝圆头体对流场的影响，与部分试验比较结果满意。     

跨音速大迎角Euler方程数值分析

应用有限体积法离散三维Euler方程,选用三步显式格式进行时间推进求解;并通过当地时间步长、残值光顺、焓修正等方法加速收敛。对一维波动方程的von Neumann稳定性分析说明这种三步格式的最大Courant数是2。对三角翼跨音速大迎角流动的数值分析表明文中的三步格式及焓修正方法优于人们经常采用的四步、五步格式以及焓阻尼技术。