基于HDCS-E8T7格式的气动噪声数值模拟方法研究进展

发展了气动噪声高精度数值模拟方法,空间导数离散采用了HDCS-E8T7格式及精度与之匹配的边界格式,时间离散方法采用了高精度多步龙格库塔方法和高精度隐式双时间步方法,发展了高精度对接边界算法,将方法推广至多块对接网格以满足解决复杂几何构型问题的需要,采用隐式大涡的概念处理可能出现的湍流问题。在此基础上,研究了几何守恒律对计算结果的影响,展示了复杂网格中高精度计算满足几何守恒律的重要性,完成了等熵涡、双圆柱散射、串列柱翼构型和喷嘴射流等典型噪声问题的求解,所得计算结果展示了所发展的模拟方法具有良好的预测精度和解决复杂构型气动噪声问题的潜力。     

有限差分法中几何守恒律的机理及算法

采用有限差分法求解复杂外形物体绕流场时经常进行坐标变换,由此会引入坐标变换系数等几何参数,采用不同的差分格式离散坐标变换系数得到的结果不同,导致在计算过程中可能出现均匀流场不能保持均匀的现象,消除这种误差需要研究几何守恒律。本文对坐标变换过程进行理论分析,发现坐标变换过程中采用的数学恒等式在离散条件下不再成立,这是引起物理量不守恒的本质机理,认为增加坐标变换系数恒等式作为源项的方程形式才是曲线贴体坐标系下的离散等价方程,提出只要源项和对流项的离散格式相同就能满足几何守恒律的构造准则。按照上述理论准则建立了基于离散等价方程的几何守恒律算法,通过AUSM、HLLC、Roe、VanLeer四种分裂格式的算例,表明这种新的几何守恒律算法适用于通量差分裂格式(Flux-Difference Splitting,FDS)和矢通量分裂格式(Flux-Vector Splitting,FVS),且均能消除由坐标变换(包括网格运动)引起的误差,保持流场的均匀特性。     

二维非结构网格上的高精度有限体积WENO格式

构造了非结构网格上二维双曲型守恒律的一类新的高精度有限体积WENO格式。其主要思想是:根据格式精度的要求,按照谱体积方法对三角形单元网格进行剖分,通过选取适当的子单元组成模板,利用WENO重构方法重构二阶和三阶多项式,利用有限体积公式和高阶Runge-Kutta TVD时间离散方法,构造了非结构网格上二维双曲型守恒律的一致二阶和三阶精度的有限体积WENO格式。然后,推广到二维Euler方程组。最后,给出几个数值算例,验证了格式的稳定性、高阶精度和高分辨捕捉激波等间断的能力。     

一个基于通量分裂的高精度MmB差分格式

本文研究双曲型守恒律的高精度差分方法.在新的算法中,首先将计算区间划分为互不相交的小区间,再根据精度要求等分小区间;其次,根据流动方向进行通量分裂,重构小区间交界面上的正、负数值通量,并进行校正;然后,采用高阶Runge-Kutta TVD方法进行时间离散,构造了一维非线性双曲型守恒律方程的一个高精度、高分辨率的守恒型差分格式.推广到二维双曲型守恒律方程,证明了格式的MmB特性.进而推广到二维守恒型方程组情形.最后对二维Burgers方程及Euler方程进行了数值试验,数值结果令人满意.     

关于变形网格“几何守恒律”概念的讨论

在国内外文献中应用包含有变形的动网格进行流动数值模拟时,要满足所谓的几何守恒律条件;通过对这一概念最早提出推导过程和近年来应用发展情况分析以后发现,逻辑上存在不适当之处.从流体力学基本理论出发,对包含有变形的动网格技术的理论基础进行讨论,证实几何守恒律是流体力学控制方程的伴随方程或退化方程;通过简单模型分析有限体积方法离散过程,发现计算过程中不满足几何守恒律所引起的非物理现象本质上是目前有限体积离散处理中微元体积计算方法不符合物理定律所致;因此在变形动网格计算方法中不存在必须要满足的几何守恒律.最后根据理论提出物理背景清晰的微元体积计算方法,数值验证可行.     

有限差分法的坐标变换诱导误差

有限差分法应用于具有复杂外形的网格时需要进行坐标变换,在此过程中经常会引入坐标变换诱导误差。在柱坐标系下使用均匀网格进行均匀流场计算,计算结果表明,即使物理坐标对计算坐标的变换函数连续可导、计算过程中坐标变换系数直接采用准确的解析式、网格完全正交并且充分光滑,也无法避免坐标变换诱导误差。理论分析表明,产生坐标变换诱导误差的机理是笛卡尔坐标系下的守恒型欧拉方程变换至贴体坐标系下后增加了源项。针对该问题,目前国内外学者通常采用几何守恒律,构建与差分格式相匹配的坐标变换系数计算方法来消除源项。本文介绍了从包含源项的离散等价方程基础上直接进行离散的新算法,在此基础上针对非等距网格条件下MUSCL类格式重构过程进行误差分析,理论推导表明重构中需要考虑非等距插值公式的影响系数,将变量转换至计算空间内进行MUSCL重构才能保证该过程具有均匀网格下的插值精度。通过理论分析及数值实验证明新算法对于均匀流场完全不会引入坐标变换误差。     

求解守恒律及对流扩散方程的中心迎风方法

提出了一种新的求解双曲守恒律方程(组)的四阶半离散中心迎风差分方法。空间导数项的离散采用四阶CWENO的构造方法,使所得到的新方法在提高精度的同时,具有更高的分辨率。使用该方法产生的数值粘性同阶要比交错的中心格式小,而且由于数值粘性与时间步长无关,从而时间步长可根据稳定性需要尽可能的小。     

非结构变形网格和离散几何守恒律

数值模拟流固耦合问题或多体分离问题的非定常流动时,常采用基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）方程的有限体积法,涉及到变形网格和离散几何守恒律。在对变形网格算法进行综述时,按照构造思想分为物理比拟、椭圆光顺、插值、运动子网格（MSA）及其混合法共5类,分别介绍了基本原理、研究现状和适用范围,通过算例比较表明,径向基函数（RBFs）和运动子网格相结合的混合方法既有很好的变形能力,也有较高的计算效率,值得进一步发展和推广。在介绍了离散几何守恒律（DGCL）概念之后,采用二维几何模型进行分析,指出其机理是离散过程中体积增量与网格面元扫过的体积不相等造成的,把目前国内外应用的算法分为面积修正法、给定速度的面积修正法、速度修正法和体积修正法共4类,对其应用范围和存在的问题进行讨论,认为提出的体积修正算法既可以保证流固界面条件,也可以用于时间多层格式。     

有相对运动多体动力学系统流动计算方法若干问题讨论

对应用非结构动网格技术数值模拟有相对运动多体动力学系统的流动现象时发现的若干问题进行了讨论.应用动网格技术求解均匀流场,验证了几何守恒律方程离散形式对流场计算精度的重要性,还发现格式时间精度越高、网格运动速度越接近声速,几何守恒律的作用越明显;采用类似于可控轨迹实验的准定常计算方法和非结构动网格技术,分别对超声速气流中物体运动的动力学过程进行了数值模拟,通过流场和运动特性比较和理论分析,指出准定常计算方法本质上无法反映非定常流动特征,即使时间步长趋向零也不会趋向于真解;还讨论了数值模拟非定常流动的双时间法,分析时间推进步长对解的影响,随着时间步长减小解的误差降低,但是这一方法与动网格技术结合解决多体分离问题有难度.     

“计算流体力学高精度格式及其应用”专栏简介

正高精度格式是计算流体力学(CFD)研究的前沿方向。最近三十年来的研究成果已经显示了高精度格式在高保真预测关键流动结构和提高整体计算效率方面的优势。高精度格式在算法的几何、时空特征、效率、分辨率和鲁棒性方面仍有一系列尚待解决和改善的问题,需要开展进一步研究。本专栏反映了国内和海外专家在上述方面的最新成果,内容涵盖:时空关联算法的理论基础,有限差分方法的几何守恒律及色散耗散特性,有限体积方法的基于解的特性的非多项式重构及子网格重构,FR/CPR方法、气体动力学格式、以及二者的结合,多介质流动的界面算法等。此外,我们高兴地看到,     

超燃冲压发动机三维喷流干扰流场的数值研究

用隐式有限体积法求解三维N－S方程数值研究超燃冲压发动机三维平行、垂直喷流干扰流场。计算中采用了具有当地极值递减（LED）性质的JST和SLIP中心差分格式。为了减缓计算网格数很多时对计算机内存的压力以及提高计算效率，运用了通量守恒的分区计算方法。     

高精度有限差分格式的色散优化及耗散控制

本文综述了我们在高精度有限差分格式的色散优化和耗散控制方面的研究进展。首先,我们提出了半离散有限差分格式色散和耗散相互独立的充分条件,实现了差分格式色散和耗散特性的独立调节。在此基础上,提出了色散最小、耗散可控的高精度差分格式,称为MDCD格式。MDCD格式已经得到了广泛应用,取得了很好的计算效果,但其主要缺点是耗散的调节依赖于经验。为了解决这一问题,我们进一步提出耗散的自适应调节方法。具有自适应耗散特性的高精度有限差分格式的基本特征是,差分格式的耗散能够随解的局部尺度自适应调节。为了构造这类格式,我们提出了一种新型的尺度识别器,它能够以等效无量纲波数的形式来定量衡量数值解的局部长度尺度。在此基础上,设计差分格式耗散参数与尺度识别器得到的等效无量纲波数之间的关系,从而构造了一类色散最小、耗散自适应的差分格式,称为MDAD格式。为了计算含有间断的问题,同时保持在光滑区的良好耗散特性,我们利用尺度识别器对一种经典的激波探测器进行改进,提出了一种新的激波探测器,并将自适应耗散格式与对应的WENO格式相混合,得到自适应耗散混合格式。近似色散关系显示该混合格式兼具高分辨率和鲁棒性。多个含间断流场的标准算例测试结果显示,自适应耗散混合格式具有良好的分辨率和激波捕捉能力。     

非线性壁板颤振分析

利用一种改进的计算流体力学与计算结构动力学(CFD/CSD)耦合方法研究了由气动和结构几何非线性引起的壁板颤振问题。在非定常气动力计算中,考虑了通量分裂格式、隐式时间推进方法和几何守恒律;二维和三维壁板的结构几何非线性建模则采用了有限元的协同旋转理论,并利用一种近似能量守恒算法求解结构的非线性响应。流场和结构求解器采用二阶松耦合方法联立求解,并将其应用于壁板在超声速、跨声速和亚声速的颤振计算中。当考虑结构几何非线性和气动非线性时,出现了典型的极限环振荡现象,并对颤振边界和极限环振荡幅度进行了对比分析。     

槽道流动中湍斑的数值模拟

采用Navier-Stokes方程直接数值模拟槽道流动中湍斑的形成和发展.建立高精度、高分辨率的三维耦合中心差分格式,并和时间分裂法、高阶迎风差分格式一起组成高效的高阶紧致差分方法;克服一般高阶中心差分格式不适用于边界邻域的困难,可用于包括边界邻域在内的整个计算区域;在边界上满足Navier-Stokes方程的无反射和压力条件,保证了格式的精度和一致性.通过模拟槽道流动中从壁面脉冲到湍斑的演化过程,显示出湍斑内雷诺应力和速度、压力脉动等湍流的基本特征,表明了湍斑的生成与壁面脉冲的强度和Re数大小直接相关.     

转动坐标系中三维跨声速欧拉流的有限体积 TVD格式

在非惯性转动坐标系中,本文采用贴体网格、有限体积法离散和修正数值通量技术,将Harten的一维TVD格式推广到三维。由于转动使方程出现源项,文中通过对源项的巧妙处理,使修改后的格式能用于非齐次双曲守恒律方程组高分辨率的数值计算。为了加速解的收敛,提高显式时间推进的CFL数,本文采用隐式残值光顺技术。三维跨声速带非齐次源项欧拉方程的典型算例表明:捕捉的激波分辨率较高;激波前后没有发现大的数值波动和伪振荡现象;所得的跨声速流场解与实验较接近。     

High-order compact finite volume methods on unstructured grids with adaptive mesh refinement for solving inviscid and viscous flows

In the present paper, high-order finite volume schemes on unstructured grids developed in our previous papers are extended to solve three-dimensional inviscid and viscous flows. The high-order variational reconstruction technique in terms of compact stencil is improved to reduce local condition numbers. To further improve the efficiency of computation, the adaptive mesh refinement technique is implemented in the framework of high-order finite volume methods. Mesh refinement and coarsening criteria are chosen to be the indicators for certain flow structures. One important challenge of the adaptive mesh refinement technique on unstructured grids is the dynamic load balancing in parallel computation. To solve this problem, the open-source library p4est based on the forest of octrees is adopted. Several two- and three-dimensional test cases are computed to verify the accuracy and robustness of the proposed numerical schemes.     

轴对称跨音速进气道外罩绕流的高效差分算法

 本文考虑轴对称跨音速进气道外流场的有限差分计算方法。采用守恒型位流方程、贴体坐标网格和精确边界条件,根据最佳收敛准则对轴对称情形设计出新的近似因式分解迭代格式,并将所设计的格式应用到计算皮托式进气口的轴对称跨音速流场。对几种典型进气口的计算表明,本文格式收敛快,计算结果与实验符合很好。