基于自适应笛卡尔网格的飞翼布局流动模拟

小展弦比飞翼布局具有较好的隐身和气动性能,是未来战机的先进布局。对飞翼飞机进行CFD数值模拟时,其全翼式设计使得高质量贴体网格的生成存在一定的难度。相比之下,自适应笛卡尔网格方法具有自动化和高质量兼顾的优势。本文对自适应笛卡尔网格技术进行发展,并开展小展弦比飞翼布局的数值仿真研究。采用全线程树笛卡尔网格数据结构,结合改进后的网格单元类型判断方法,以及基于几何特征和流场解特征的自适应方法,并通过虚拟层技术优化近壁网格,发展了高效、鲁棒、高质量的三维自适应笛卡尔网格生成技术;对于非贴体物面边界的处理,发展了基于浸入边界方法思想的虚拟单元重构技术,构造了高保真的非贴体笛卡尔网格边界条件;针对黏性流动控制方程,发展了笛卡尔网格框架下的数值离散方法,建立了适用于自适应笛卡尔网格的Navier-Stokes方程数值求解器;基于上述工作,开展了自适应笛卡尔网格技术在小展弦比飞翼布局低速流动问题中的应用研究,证明了本文所发展的技术方法的可靠性,并探究了自适应技术对于流场特征和气动力特性的影响作用。     

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.     

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。     

一种包含运动边界的高精度流场数值计算方法

为了准确快速地模拟运动边界的流场,提出一种反馈力源形式的包含运动边界的非定常流场数值计算方法。该方法采用完全正交的网格,以反馈力源作用点的运动来模拟边界的运动。采用物理量及其各阶导数在边界两侧的突跃修正中心差分格式,使之达到二阶精度,以此离散求解二维不可压Navier-Stokes方程。并且提出了与运动边界相适应的反馈力源构造方法及对边界上速度进行插值的方法。基于此数值计算方法,对低雷诺数的圆柱绕流、静止流体中的振荡圆柱以及昆虫振翅运动的二维非定常流场进行了数值计算,计算结果与以往的数值及实验结果非常吻合,表明本文方法与Peskin的浸入式边界方法在处理运动边界问题时具有同样的高效率,且精度高于浸入式边界方法。     

基于四叉树网格下的浸入边界格子Boltzmann方法

提出了一种基于非均匀四叉树网格下的浸入边界 格子Boltzmann方法。在不同层网格界面上,为了保证物理量的连续性,需要在时空方向上进行插值。由于四叉树同层网格在空间上步长相等、且相邻时间层上时间步长相等,所以在时空方向上采用平均值插值,这样做的优点是时空方向插值既可以达到二阶精度,又可以简化计算过程,节省资源,对任意边界加密下的网格,格子Boltzmann方法的实现比较容易。为了充分利用均匀笛卡尔网格的优势,物面边界的处理采用了速度修正法,与传统浸入边界 格子Boltzmann方法中的直接力法、动量交换法相比,无滑移边界条件得到了较好的保证。同时,把大涡模型加入到浸入边界 格子Boltzmann方法中,实现了在四叉树网格数据结构、边界处理技术、大涡模拟几种模型相结合下,绕障碍物的较大雷诺数流动的模拟。通过不可压缩粘性流中圆柱绕流算例验证,结果与其它方法结果吻合良好。     

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...     

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。     

面向粘性流动问题的无网格/直角网格混合算法研究

将基于计算区域整体直角网格物面附近局部无网格的无网格/直角网格混合算法发展用于求解粘性流动问题。针对粘性流动,特别是高雷诺数粘性流动边界层薄的特点,在局部无网格布点过程中引入了点距控制函数,使得生成的点云结构能反映粘性流动边界层特点,同时结合无网格区之间的布点干涉机制,将算法拓广到处理多个物体相互干扰的复杂流动问题。对于整体直角网格,采用直角坐标与四叉树加密的方法生成非结构直角网格。由于采用了局部四叉树加密,使得网格区与无网格区之间过渡可控,再结合提出的基于距离和夹角的点云选点策略,保证了网格区与无网格区交界处点云的质量。给出了求解NS方程耦合SA湍流模型的无网格/直角网格混合算法的具体实施方法,数值模拟了NACA0012翼型亚声速和RAE2822翼型跨声速粘性绕流,计算结果与实验数据进行了比较与验证。最后给出了GA(W)-1两段翼型的粘性绕流数值模拟算例,展示了所提方法的可行性。