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。     

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。     

一种新的边界处理方法在笛卡尔网格中的应用

采用自适应笛卡尔网格方法求解Euler方程,固壁边界条件通过一种离散强迫浸入边界方法引入,边界切割网格与流场网格保持一致,从而有效解决了小切割网格单元的时间步长限制问题.针对自适应笛卡尔网格的特点提出了新的虚拟点反射方法和插值方法,解决了数值吸力峰值问题.对RAE2822翼型、双NACA0012翼型和Suddhoo三元翼型的流动状况进行了无黏数值模拟,并与现有的理论解、单域以及分区结构网格解进行了对比.结果表明:该离散强迫浸入边界方法有效地引进了固壁边界条件,结合自适应笛卡尔网格技术能够准确模拟复杂几何外形下的流动状况.      

自适应笛卡尔网格Ghost Cell方法研究

在笛卡尔网格中,利用Ghost Cell方法处理浸入边界,模拟二维无粘可压缩流。针对静止物体,比较了各种不同的Ghost Cell边界条件下的熵误差,总压误差,以及阻力系数。此外为提高激波分辨率,将Ghost Cell方法与基于叉树结构的自适应笛卡尔网格算法相结合,数值结果显示本文的方法是切实可行的。     

可压缩粘性流动笛卡尔网格虚拟单元方法研究

以二维高雷诺数可压缩粘性流动问题为背景,提出了一种全新的笛卡尔网格虚拟单元方法。基于壁面函数基本假设,构造了壁面函数-虚拟单元方法(WF-GCM),用于定义湍流壁面边界条件。引入参考点的概念计算虚拟单元上的基本变量与湍流变量值,定义了"非贴体"笛卡尔网格下的湍流壁面边界条件,并通过壁面函数模型修正近壁面单元与界面单元。基于自适应笛卡尔网格体系,采用发展的具有二阶精度的格心格式有限体积求解器,数值模拟了跨音速RAE2822翼型绕流问题与超音速圆柱绕流问题,计算结果与实验值吻合良好,显示了WF-GCM对高雷诺数可压缩粘性问题是有效的。     

基于自适应笛卡尔网络之三维标模气动特性的数值模拟

应用CAD建立M6机翼、ACARD-B1标模的几何模型，应用基于自适应笛卡尔网格的CEMCFD431和CART3D平台对上述两个模型进行了亚、跨、超三音速流场的数值模拟：对欧拉方程用有限体积法进行离散，运用自动及人工干预网格细化、多重网格技术的加速收敛、选用五步RUNGE-KUTTA时间推进格式，计算得到两个模型的有关气动特性，结果与中航气动院FL-1风洞的试验结果以及由Schmitt和Charpin的试验结果作对比，两者吻合较好。     

基于混合笛卡尔网格方法的扑动翼型数值模拟

针对单体扑动翼型与前扑动/后静止串联布置的双翼型发展了适用于运动边界问题的非定常混合笛卡尔网格方法,并进行了数值模拟研究.在物面附近使用贴体结构网格,外部使用自适应笛卡尔网格来填充,使用最近“贡献单元”方法来实现两套网格之间的信息传递.发展了一套非定常可压缩求解器,使用格心格式2阶精度的有限体积方法实现空间离散,使用隐式LU-SGS双时间步方法实现时间离散.物面边界运动过程中,在贴体网格外边界进行笛卡尔网格的动态几何自适应,使用逆距离插值方法进行新鲜网格单元参数的确定.对扑动翼型的研究重点关注了推力系数与推进效率:除却很小的扑动幅值与减缩频率的工况,在单体扑动翼型后部一倍弦长处放置一个静止翼型能够增大推力系数;但推进效率的改变较为复杂,与扑动的幅值以及减缩频率相关.     

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。     

基于Euler方程的三维自适应笛卡尔网格应用研究

本文采用非结构自适应笛卡尔网格和有限体积法求解了三维Euler方程。在网格生成过程中，采用了基于模型几何数据、模型表面曲率和流场特征为基础的网格自适应生成及加密方法，采用模型特征恢复技术保证了计算模型与原始外形的一致。在计算中，将以中心差分为基础的Jameson有限体积法在三维笛卡尔网格中进行了推广。本文中对导弹、歼击机等复杂问题进行了数值实验，计算结果与风洞实验结果符合良好，并在工程实际中成功应用。     

Numerical simulation of viscous flows with adaptively refined Cartesian grid

Quadtree-based Cartesian grid was automatically generated from specified geometry.Adaptive refinements were performed according to geometric parameters and solution of flow field.An altered CCST (curvature corrected symmetry technique) approach was proposed to apply solid wall boundary conditions.Driven flows in a square cavity and flows around NACA0012 airfoil were simulated and compared with the result of published structured grid and stretched Cartesian grid.The results show that solid wall boundary condition are accurately applied by current altered CCST approach,while incompressible/compressible subsonic,transonic and supersonic viscous flows are adequately simulated with adaptively refined Cartesian grid.      

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.      

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。     

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。     

被动孔隙控制的数值模拟研究

被动孔隙控制是一种在飞行器表面压力分布差别较大的若干区域开孔,将其下的通风腔连通进行表面压力自由调节,从而实现气动噪声、激波诱导附面层分离甚至气动力与力矩控制的技术。孔隙控制的数值模拟可对每个开孔都生成网格,但计算量非常大。为节约计算开销,可根据孔洞流动细节,建立孔隙边界模型,推导孔隙边界条件。本文在自主研发的RANS方程数值模拟框架下,结合该边界条件完成了孔隙外流场的数值模拟。模拟结果与文献实验数据相当吻合,证明孔隙边界条件完全可用于被动孔隙控制的数值模拟研究,同时也显示被动孔隙控制是一种大有潜力的气动控制手段。     

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。