自适应直角坐标网格方法在对流换热数值模拟中的应用

复杂几何边界是对流换热计算面临的主要难点之一。自适应直角坐标网格方法可以比较方便的处理复杂几何边界,但其应用目前主要集中于可压无粘流的Euler方程、可压粘性流的Navier-Stokes方程的外部绕流计算。本文应用自适应直角坐标网格方法计算了两个不可压内流对流换热算例,并把计算结果同商用CFD软件STAR-CD的计算结果进行了对比。自适应直角坐标网格方法在本文的两个算例中得到了同STAR-CD一致的结果。这说明采用该方法数值模拟对流换热问题是适用的。      

三维复杂区域对流换热问题的控制方程及计算

研究并发展了一套计算复杂区域对流换热问题的通用方法并开发了相应的可视化计算程序。针对所建立的一组以直角坐标速度分量表示的非正交曲线坐标系下的三维流动及传热控制方程,采用有限体积方法离散,SIMPLER算法求解,并利用网格界面速度插值方法解决采用非交错网格时出现的压力波动问题。本文利用所开发的程序计算了低散热发动机冷却通道自然对流换热问题。      

自适应直角坐标网格方法在耦合传热数值模拟中的应用

首先介绍了耦合传热计算区别于一般的导热和对流换热过程的特点,然后介绍了常用的计算方法应用于耦合传热计算遇到的困难及自适应直角坐标网格方法在耦合传热计算中的优势。最后用两个算例证明了采用自适应直角坐标网格方法数值模拟耦合传热问题是适用的。     

基于浸入式边界法的振荡转子叶片数值模拟

对于流固耦合问题,传统的数值模拟方法由于需要不断的网格重构使得问题变得复杂,本文通过利用浸入式边界法建立了在单一坐标系和网格下求解振荡转子叶片的快速计算模型,从而避免了传统方法中由于需要不断地重构贴体网格造成的数值模拟的复杂性。为了验证该方法的正确性,分别对低KC(Keulegan-Carpenter)数下的振荡圆柱和两自由度振荡圆柱进行了数值模拟,计算结果与以往的试验结果和数值结果吻合得很好,证明了浸入式边界方法的可靠性。在此基础上,对振荡转子叶片进行了数值模拟。结果表明折合速度和叶栅稠度是影响振荡转子叶片的重要因素。并且,值得注意的是这种耦合过程并没有生成贴体网格,因此大大减小了计算时间,这样可以更加快速、准确地模拟真实的叶栅流动情况。     

基于高阶间断伽辽金数值方法的浸没边界法

为了降低复杂边界条件下贴体网格生成难度，近年来基于笛卡尔网格的浸没边界法逐渐成为研究此类问题的主要数值方法之一，然而计算精度和计算效率仍然是此类方法目前面临的挑战。与传统的空间2阶精度的有限体积格式相比，空间精度为3阶或3阶以上的高精度方法具有空间精度高、数值分辨率高、数值耗散小的优点，而作为高精度数值方法之一的间断伽辽金方法在浸没边界方面的应用仍较少。本文将高阶间断伽辽金方法的高精度优势与浸没边界法无需贴体网格的优势结合起来，提出了适用于可压缩流动的高精度浸没边界法。其中边界条件采用体积惩罚方式实现，同时采用牛顿法迭代以及MPI并行提高计算效率，物面的数据重建采用插值点处的逆距离权重（IDW-IP）方法代替高阶格式下多项式插值方法。本文基于笛卡尔网格测试验证了二维定常和非定常情况下的数值模拟效果，并与传统贴体网格的计算结果进行了对比。     

浸入式贴体网格边界方法

提出一种基于重叠网格的浸入式边界方法,用以模拟复杂的三维黏性跨声速流动。该方法采用一套固定的笛卡儿正交网格,用以主流的求解;采用一套可以移动的贴体等距面网格,用以拟合或者离散物面的作用力,通过空间插值,实现两套网格重叠部分的信息传递。分析了浸入式贴体网格边界方法的优势,介绍了贡献单元的寻找策略和物理通量的插值方法。流场求解采用Spalart-Allmaras带湍流模型的Navier-Stokes方程组,其中对流项采用流通矢量分裂和5阶WENO(weighted essentially non-oscillatory)-Z格式离散,黏性项采用6阶中心差分格式离散,时间项采用龙格库塔显式格式离散。数值验证算例表明:该方法具备高于4阶的空间求解精度,并适用于刚体动网格非定常流场模拟,且无需更新网格形状。等距面贴体网格生成过程简单,避免了繁琐的人工调节过程,与笛卡儿网格结合,可提供足够的壁面附近网格密度,同时有效减少了网格总量需求。     

发动机燃烧室主动冷却管道的热-力耦合分析

为了准确高效地进行发动机冷却管道结构的热-力耦合数值分析,基于边界单元法提出一种冷却介质中结构对流换热过程的新型计算方法,计算过程中采用径向积分法将对流换热边界积分方程中的域积分转换为等效的边界积分,从而显著降低计算难度。采用改进后的边界单元法和有限元方法分别进行发动机燃烧室主动冷却管道处的热-力耦合分析,计算并获得了该处的温度场、位移场和应力场,发现了不同物理量随管道轴向的变化规律。通过比较基于两种不同数值方法的计算结果可以发现本文数值方法在显著降低计算模型复杂度的同时,取得了合理的计算结果。因此利用本文方法可以简便有效地进行发动机燃烧室主动冷却管道结构的热-力耦合分析。      

基于浸入边界法的低雷诺数流固耦合数值模拟(英文)

提出一种基于SIMPLE算法的非定常流固耦合计算方法。流体Navier-Stokes方程空间采用非结构化网格有限体积法离散,时间项采用了欧拉隐式方法。利用浸入式边界方法模拟静止或者运动固体区域,流固界面作用力通过流体体积(VOF)方法进行处理。从而可以用固定网格求解任意复杂区域中的流固耦合作用。本文模拟了低雷诺数静止及振荡圆柱绕流,所得结果与文献中贴体网格计算结果吻合,从而验证了本文方法的合理性和正确性。     

降落伞的流场特性研究

降落伞的流场特性直接关系到降落伞的气动力性能,一直以来是降落伞研究中的核心问题。本文采用计算流体动力学(CFD)方法对降落伞的流场进行数值模拟。通过采用不同的网格生成方法对降落伞的绕流流场进行研究,表明生成网格质量对流场计算精度有很大的影响。在一系列数值实验的基础上,证明采用多块贴体坐标的网格处理方法能够获得良好的网格质量,同时还具有易于寻找伞衣内外面压力,计算稳定性、可靠性高等优点。在此基础上,采用了七孔探针对降落伞绕流流场进行了测量,实验结果和计算结果吻合较好。     

翼-身-尾组合体的网格生成及 Euler 方程数值模拟

采用代数方法快速生成翼-身-尾组合体三维O-C型贴体网格。该代数网格生成方法使用双边界法,可保证物面附近近似正交,真实地模拟了机身头部及与机翼、尾翼交界处的形状,提高了代数方法生成网格的质量。并用中心格式有限体积法求解跨声速Euler方程,以某翼-身-尾组合体模型为例,计算结果与实验符合良好。     

固体火箭发动机绝热层温度场的有限元计算方法

利用有限元法计算了固体火箭发动机绝热层在移动边界条件下的二维温度场.采用碳化层-热解面-原始材料的二维碳化烧蚀模型;推导了将热解气体对流项作为源项的有限元计算方法;采用当量对流换热系数和当量热流的方法处理复杂边界条件.采用无限插值法获得移动边界条件下的三角形网格,提高了网格生成速度和网格质量.计算结果表明,利用有限元法计算固体火箭发动机绝热层的温度场收敛性和稳定性都较好.      

准一维可压缩瞬变管流的有限体积模型(Ⅱ)管壁温度场的有限体积模型

在流场模型的基础上,通过对圆柱坐标系下轴对称管道壁面划分的二维有限体积网格,建立了一种计算管壁瞬变传热的有限体积模型,可处理对流换热和辐射换热两种边界情况,可处理具有包覆层或真空夹层结构的变物性管壁传热.温度场模型是流场建模思想的自然延伸,对二者的组合运用即为所发展的可仿真准一维可压缩流管内瞬变流动的有限体积模型,一方面,在流场仿真的体系内发展了传热计算的部分并最终扩展成为统一的流动/传热仿真体系,另一方面,结合阀芯节流模型,从此模型出发可推导出管路系统常见元件的流场和温度场模型.对某发动机试验台液氧贮箱增压系统的建模与仿真表明,提出的模型体系具有很好的适用范围和良好的仿真精度.      

基于Stereo Lithography文件和有限元法的在轨航天器关键部件热计算

针对STL(Stereo Lithography)文件在传递复杂几何实体模型信息方面具有精度高的特点,提出了一种基于STL文件计算复杂结构角系数和外热流的方法。给出了有限元网格离散和边界识别方法。根据单元和节点的拓扑关系进行辐射换热计算。利用有限元法计算辐射换热角系数和外热流。最后利用有限元法计算航天器关键部件在轨的三维瞬态温度场,并进行了计算效率和误差分析。     

低温推进剂贮箱增压系统分布参数数值仿真(Ⅰ)贮箱的有限体积模型

从准一维可压缩瞬变管流的有限体积模型出发,通过数值拓展和集成建立了一种考虑流体与箱壁传热的低温推进剂贮箱分布参数模型.流场采用一维交错网格的有限体积模型,可考虑变物性、轴向热传导、重力场、壁面传热影响;壁面温度场采用圆柱坐标系下的轴对称二维有限体积模型,可处理对流换热和辐射换热两种边界情况,可处理具有包覆层或真空夹层结构的变物性管壁传热.模型全面考虑了贮箱内的分布参数效应,适用于贮箱增压计算领域.      

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.     

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。     

国家数值风洞(NNW)工程中的黏性自适应笛卡尔网格方法研究进展

相比传统的结构和非结构网格,笛卡尔网格具有自动化和高质量兼顾的优势,是未来网格技术发展的重要方向。面向笛卡尔网格生成软件开发需求,依托国家数值风洞（NNW）工程,介绍了黏性自适应笛卡尔网格技术相关课题的研究工作进展,重点从网格生成技术、自适应方法、黏性物面边界处理方法等方面展开。网格生成技术方面,基于全线程树数据结构的思想,开展了叉树数据结构的优化;针对物面离散单元信息的快速检索,构建了稳定、平衡、高效的叉树式物面网格数据结构;对于网格单元类型的判断,发展了染色方法和包围盒方法以提高效率;针对大规模网格量,发展了高性能并行计算技术。自适应技术方面,发展了基于几何特征和流场解特征的自适应方法,建立了流场结构捕捉判据,并开展了三维复杂构型的应用;为了降低全局网格规模,发展了各向异性自适应方法,构建了各向异性特征识别的综合判据;发展了边界层法向射线加密技术,以减少边界层内的网格数目。物面边界处理方面,发展了重叠笛卡尔网格方法,构建了重叠网格尺度匹配技术和数据交互方法;开展了壁面函数方法在笛卡尔网格框架下的适应性应用,以放宽壁面网格尺度限制、降低边界层网格规模,并通过典型算例验证了方法的可靠性。     

血液对流换热的数值模拟

通过对血管内血液流动及传热过程的理论分析,建立了血液对流换热的数学模型,并采用数值分析的方法,完成了定壁温和定热流两种典型边界条件下血管内血液对流换热的计算。计算结果表明,当屈服数Ｙ一定时,两种边界条件下的Ｎｕ相差约20％。由此得到,尽管血管中血液流动的速度分布相同,但由于壁温沿轴向的变化规律不同,对换热产生了影响。计算结果可用于人体热调节系统数学模型。     

基于STL文件和有限元法的在轨航天器关键部件热计算

针对STL(stereo lithography)文件在传递复杂几何实体模型信息方面具有精度高的特点,提出了一种基于STL文件计算复杂结构角系数和外热流的方法.根据单元和节点的拓扑关系识别六面体网格边界单元并进行辐射换热计算.详细阐述了基于STL文件和有限元法进行复杂结构的角系数和外热流的计算方法.研究了导热-辐射耦合计算的有限元方法.最后利用有限元法计算航天器关键部件在轨的三维瞬态温度场.