运动边界非定常全速流场的数值模拟

将预处理引入到ALE格式的非定常可压缩N-S方程中,发展了一种能有效模拟含运动边界的三维非定常全速流场的数值方法.控制方程在非结构动态网格上用双时间步推进并用隐式、LU-SGS迭代求解;提出了一种特征变量的边界条件以适合预处理后的特征系统.几个典型算例的结果表明,预处理方法将可压缩流方法的计算能力拓展到了低马赫数范围,有效地提高了收敛速度和计算精度.     

翼型扑翼运动流场的数值模拟

基于非定常N-S方程,利用动网格方法和预处理方法对翼型在低速度下扑翼运动进行数值模拟。采用Jameson中心格式的有限体积法、双时间推进法求解非定常N-S方程;紊流模型采用基于SA紊流模型的DES模型。本文计算模拟翼型在低雷诺数下扑翼运动过程,计算所得推力系数结果与实验参考结果吻合较好,对扑翼飞行器设计有一定参考价值。     

一种基于特征关系式的预处理远场边界条件

高速可压缩流动的计算方法应用于不可压低速问题会因为当地速度和当地声速量级相差较大产生刚性问题并导致数值收敛困难。预处理方法引入预处理矩阵使传统的可压缩方法具备了求解不可压或低速问题的能力。由于预处理方程改变了Navier-Stokes方程的特征值,原Navier-Stokes方程的远场边界条件不再适用。目前被广泛使用的预处理方程的远场边界条件为简化边界条件。本文以预处理方程为基础进行分析,推导了一种基于特征关系式的远场边界条件。通过典型状态算例数值实验,验证了该边界条件及预处理方法的有效性。结果显示,对于定常/非定常低速不可压流动,合理地设置远场边界条件,预处理方法都能够提高计算的收敛性和精度;对于跨声速流动,预处理方法和未加预处理方法两者的计算效率和计算精度相当。本文的预处理远场边界条件与简化预处理远场边界条件相比一是能够进一步提高计算的收敛速度;二是能够有效降低远场边界位置对预处理方法数值计算结果的负面影响。     

地效飞行器三维地面效应的数值模拟

采用三维非结构贴体直角网格和N-S方程研究了三维地面效应的数值计算方法。用最小二乘法对N-S方程进行了MUSCL有限体积法的粘性求解,提出了带约束边界条件的最小二乘法的处理办法,修正了下垫面的数值边界条件,模拟了下垫面在低马赫数情况下对飞行器的地面效应作用。结果表明计算方法可以反映地面效应的基本原理和特性,模拟结果显示飞行器的地面效应不仅有正效应,而且可能有负效应。     

一种适合迭代求解的反馈力浸入边界法

对Goldstein提出的反馈力浸入边界法进行了新的思考，改进了其对力源项的计算，拓展了该浸入边界法的使用范围。传统的反馈力浸入边界法在进行力源项的计算时，含有对速度误差的时间积分项，只能用于含时间项的Navier-Stokes （N-S）方程的求解，且在显式时间推进时有严格的时间步长限制。本文改进的方法则直接通过迭代过程中的速度误差求和来计算力源项，避免了时间相关的参数，使其不仅能适合非定常隐式时间推进，还能与不含时间项的定常N-S方程求解方法结合。为了验证改进方法的可靠性，对二维静止圆柱绕流、静止流体中的振荡圆柱、运动椭圆翼以及三维静止圆球的流场进行了计算，计算结果均与文献结果符合较好，表明本文改进的方法是有效的。得出的结论为：可以直接基于迭代次数进行反馈力源项的计算，改进的反馈力浸入边界法不仅可与非定常N-S方程结合，进行隐式求解，还可以与定常N-S方程结合用于定常流动的模拟，可将改进的方法运用到更多的流动问题当中。     

一种用于分离流动的网格自适应算法

对于可压缩粘性流动,提出利用流场速度的紊乱度作为指示变量进行网格自适应.Jameson中心格式有限体积法、五步Runge-Kutta时间推进法/双时间推进法求解定常/非定常N-S方程.基于雷诺平均N-S方程模拟紊流,选用SA一方程模型.在数值求解二维静态失速和动态失速问题过程中,加入网格自适应算法,提高数值模拟对流动分离特性的捕捉和分辨能力.算例结果表明在流场发生失速后,运用本文的自适应算法能够在增加少量网格单元的情况下明显提高计算精度.     

喷流场的隐式空间步进解法

为了寻求一个解决飞行器尾喷流场预估的有效方法,本文将Mao Cormack(以后简称M.)隐式法经改进后用于求解定常轴对称的且波系较复杂的粘性喷流场.N-S方程经抛物化处理后,用空间步进的而不是时间步进的M.隐式法求解.这样可大大节省机器内存提高计算效率,使这种较为复杂的问题能在IBM-PC微机上计算.求解这类流场时,隐步下边界条件需作特别处理,为此,作者对原方法的求解步骤作了一些改进.在本文工作开始之前,未见有空间步进的M.隐式法求解流场的文章发表.该法所得结果与M.显示法的结果比较吻合.流场中紊流区网格若再分细,结果会更佳.计算结果得到了笔者等所做实验的定性肯定.     

失速限制型风轮叶片流场的数值模拟

采用双时间步方法在旋转坐标系下求解非定常方程,构造了零偏航条件下风轮叶片流场的数值模拟方法,采用该方法对失速限制型风轮叶片NREL Phase-Ⅵ进行了模拟,其中网格采用重叠网格进行模拟,控制方程为可压缩N-S方程,同时加入了低速预处理技术,模拟的风速范围从13m/s到25m/s,这时候风轮叶片发生失速以限制扭矩输出.本文采用数值方法对风轮叶片在发生失速以后的主要流场特点进行了分析,从风轮扭矩、载荷分布等方面对数值计算结果进行了对比验证.     

基于CFD方法对微型扑翼翼型设计的研究

基于CFD方法从扑翼设计的角度出发对扑翼的外形进行深入的研究.使用基于广义无限插值理论的代数网格生成方法开发适合扑翼运动的三维结构N-S动网格,并应用有限体积法结合双时间推进技术求解预处理后的低速三维非定常N-S方程,完成了对低速扑翼绕流的数值模拟.通过与文献算例的比较验证了本文方法的可靠性和正确性.在此基础上,对文献[8]中介绍的一种混合翼型的相关参数变化对扑翼气动特性的影响开展了深入的研究.     

二维带动力吸气式高超声速飞行器绕流的PNS-NS混合求解

为了提高吸气式高超声速飞行器绕流的求解效率,采用空间推进求解抛物化PNS(parabolizedNavier-Stokes)方程和时间迭代求解Navier-Stokes(N-S)方程的混合计算流体动力学(CFD)方法来求解高超声速飞行器整机绕流.在超声速占主导的流动区域采用空间推进求解抛物化N-S方程的方法,在亚声速和分离区采用时间迭代求解N-S方程的方法.对于求解二维带化学反应的吸气式高超声速飞行器绕流,混合CFD方法和完全时间迭代方法相比,可得到同等准确的数值模拟结果,并且求解效率提高了数倍.      

预处理AUSM+格式在全速域反应流模拟中的应用

对预处理修正的AUSM+(advection upwind splitting method+)格式进行了详细讨论, 并将其应用于全速域范围内的化学反应流场数值模拟.基于多组分Navier-Stokes方程, 结合控制方程时间导数项的预处理, 采用预处理修正的AUSM+格式发展了一种模拟全速域范围内化学反应流场的有效算法.验证算例包括超声速、亚声速以及极低速情形的化学反应流场, 计算结果表明基于预处理AUSM+格式发展的算法能够有效地用于全速域范围内化学反应流动问题的模拟.      

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。     

低速叶型气动反问题设计方法

 低马赫数不可压流动中声速与流速大小差别巨大,采用基于可压缩流动控制方程的计算格式求解流场时,由于数值黏性的污染,解的精度低且收敛性差,通常可使用时间预处理技术来解决这一问题。在基于控制理论的优化方法中,共轭方程的Jacobian矩阵和流动方程的系数矩阵相似,因而在低流动马赫数下,求解共轭方程存在着与求解流动方程相同的数值污染和数值刚性问题。首先推导了带有预处理的Roe格式,然后发展了适合全速度流动的共轭方程求解方法,最后选取翼型和叶栅两个典型算例进行了验证。计算结果表明所发展的方法可很好地用于低马赫数时的气动反问题设计。     

低速预处理方法在悬停旋翼模拟中的应用

 在可压缩方程的求解当中引入时间导数低速预处理技术,构造了能够同时处理低速和高速流场的统一数值方法,采用该方法对Caradonna-Tung旋翼的亚声速悬停状态进行了模拟,其中方程采用在旋转坐标系下求解,网格采用重叠网格进行模拟。数值结果表明,在加入低速预处理方法以后,流场的收敛速度得到了明显提高,更为适合对下洗速度场等细节的模拟;另外,在加入低速预处理以后,方程的各个特征值都处在同一量级,避开了因特征值差异带来的数值耗散过大的问题,提高了数值计算的精度。     

三维可压和不可压缩流动数值模拟的一种预处理多重网格方法研究(英文)

将矩阵预处理方法与多重网格方法结合,发展了适用于机翼及复杂外形气动数值优化设计的高效数值模拟方法和程序。在不改变定常流动解的前提下,对 Navier-Stokes 方程的时间导数项实施 Choi-Merkle 矩阵预处理,从而改善可压缩控制方程在低速情况下的系统刚性。Choi-Merkle 预处理最初用于二维低马赫数粘性流动数值模拟,本文将其推广应用到计算三维流动,并针对提高跨音速流动计算收敛性进行了相应的改进。预处理后控制方程采用中心格式有限体积进行空间离散,Runge-Kutta 混合多步方法进行显式时间推进求解,并应用 FAS 多重网格方法加速收敛。采用所发展的方法和程序数值模拟了绕 M6 机翼和 M100 机翼的低速和跨音速流动(马赫数从0.01 到 0.839)以及绕 F4 翼身组合体流动。计算结果与实验值吻合良好,验证了所发展的方法的正确性。算例研究表明所发展方法较大幅度地提高了三维流动数值模拟的效率,且同时适用于可压和不可压流动计算,在机翼及复杂外形气动优化设计方法具有应用前景     

A Preconditioned Multigrid Method for Efficient Simulation of Three-dimensional Compressible and Incompressible Flows

将矩阵预处理方法与多重网格方法结合,发展了适用于机翼及复杂外形气动数值优化设计的高效数值模拟方法和程序。在不改变定常流动解的前提下,对 Navier-Stokes 方程的时间导数项实施 Choi-Merkle 矩阵预处理,从而改善可压缩控制方程在低速情况下的系统刚性。Choi-Merkle 预处理最初用于二维低马赫数粘性流动数值模拟,本文将其推广应用到计算三维流动,并针对提高跨音速流动计算收敛性进行了相应的改进。预处理后控制方程采用中心格式有限体积进行空间离散,Runge-Kutta 混合多步方法进行显式时间推进求解,并应用 FAS 多重网格方法加速收敛。采用所发展的方法和程序数值模拟了绕 M6 机翼和 M100 机翼的低速和跨音速流动(马赫数从0.01 到 0.839)以及绕 F4 翼身组合体流动。计算结果与实验值吻合良好,验证了所发展的方法的正确性。算例研究表明所发展方法较大幅度地提高了三维流动数值模拟的效率,且同时适用于可压和不可压流动计算,在机翼及复杂外形气动优化设计方法具有应用前景     

用N－S方程计算翼型非定常粘性大攻角绕流

本文给出了用ＮＳ方程对翼型非定常粘性大攻角绕流的数值模拟。控制方程为二级时均可压缩完全ＮＳ方程；湍流模型采用双层代数涡粘性模型￣［１］。使用近似因式分解ＡＤＩ差分格式离散求解，网格是用保角变换方法生成的相对翼型固定的Ｃ型网格。本文给出两类典型非定常绕流数值模拟结果：翼型过失速常攻角周期流动和大攻角强迫俯仰谐振非定常绕流。并与国外的实验和计算结果进行了比较，表明了本方法准确、高效的特点。     

基于Roe格式的低速预处理方法研究

应用Weiss-Smith预处理矩阵,发展了Roe格式的预处理方法。在引入局部正交坐标系的前提下,推导了预处理后的Roe格式的定常及非定常形式,分别给出了一组适用于守恒变量的特征矩阵。最后就典型状态给出了验证算例,计算结果表明,本文发展的预处理方法正确可靠,在低速计算中大大提高了计算效率和计算精度,是一种非常有前途和价值的方法。     

旋翼干扰流场数值模拟中的新型Blend低速预处理方法

针对定常低速预处理在双时间步长内收敛性差、旋翼干扰流场数值模拟中非定常低速预处理自动退化为无预处理的问题,在非定常低速预处理方法的基础上,采用量级分析方法研究了对流项和黏性项量级,通过组合定常和非定常预处理特征值矩阵,建立了一种新型Blend低速预处理方法。通过圆柱非定常扰流、前飞直升机旋翼/机身干扰非定常流场和直升机/舰船干扰非定常流场的数值模拟,对各低速预处理方法的收敛性和预测精度进行了细致研究。结果表明,本文方法解决了在旋翼干扰流场数值模拟时非定常低速预处理自动退化为无预处理的问题,相比定常低速预处理大幅提高了收敛效率。     

绕大攻角翼型低速非定常流动的SUPG有限元数值模拟

采用既有良好稳定性又有较高精度的ＳＵＰＧ有限元方法,通过数值求解涡量一流函数形式的不可压缩流ＮＳ方程组,模拟大攻角翼型在高Ｒｅ数下几种典型情况的非定常绕流流场,同时验证了ＳＵＰＧ有限元方法在求解对流占优的二维非定常对流的－扩散方程时的有铲性。