基于非结构网格的非定常流数值模拟方法研究

本文给出了两种基于非结构网格的非定常流动问题的数值模拟方法.一种是基于非结构网格的重叠网格方法,该方法结合了非结构网格方法和重叠网格法的优点,适合于处理复杂外形飞行器的非定常运动问题.另一种是基于Denauley图映射的动弹网格方法,该方法具有较强处理粘性网格的变形运动的能力.本文通过多个数值算例(三维外挂物投放、直升机机身+旋翼前飞、后缘襟翼大偏角运动以及机翼弹性变形等)对这些方法的正确性和有效性进行了验证,结果表明这两类非结构网格的非定常流数值模拟方法是精确高效的.     

基于动态非结构重叠网格法的直升机前飞非定常流场数值模拟研究

 发展了非结构重叠网格技术,提出适合于直升机旋翼运动的动态非结构重叠网格算法,该算法使得在采用非结构重叠网格模拟直升机流场时实现程序自动处理网格,不需任何人工干预。流动控制方程采用非定常可压缩Euler方程,空间离散采用Jameson有限体积法,时间推进采用双时间步长法,为加速收敛,在双时间步长内循环迭代中采用预处理技术。为验证本发展的预处理解算器以及动态非结构重叠网格的算法的可信性和有效性,开展一系列的数值实验,模拟了不同速度范围的NACA0012翼型绕流,Caradonna旋翼悬停和前飞流场以及Robin直升机机身-旋翼组合的前飞非定常流场,结果表明采用本文算法得到的结果是可信的,网格处理是自动高效的,可以应用于直升机全机流场模拟,为直升机设计提供可信指导数据。     

用运动嵌套网格方法数值模拟旋翼前飞非定常流场

通过求解Ｅｕｌｅｒ方程数值模拟了直升机旋翼前飞非定常流场。为了模拟包括旋转、周期性变距和周期性挥舞的非定常运动,本文采用了一种能够快速完成重叠网格间流场信息交换的运动嵌套网格方法。空间采用中心平均的有限体积法进行离散,时间方向采用双时间法隐式推进求解。为了验证方法的正确性,数值模拟了悬停流场,数值结果和实验值吻合很好。尽管前飞状态的计算没有实验验证,但计算结果与其它文献计算结果吻合很好。     

柔性扑翼非定常流场的数值计算方法

提出一种将Delaunay图映射网格变形技术和非结构嵌套网格方法结合使用的策略,解决网格变形和嵌套网格单独用于柔性扑翼流场计算时需要网格再生的问题。该方法为嵌套网格中的每个嵌于背景网格的贴体非结构网格生成Delaunay背景图;每个时间步,根据扑翼的运动和变形规律移动背景图,再根据网格点和背景图的映射关系移动网格点,之后自动完成嵌套边界的定义和插值关系的建立。为方便嵌套关系的建立,嵌套网格进行分层管理。也研究了一种内存消耗少、效率较高的搜索算法,以及格心格式和格点格式统一的边界拓宽算法。非定常可压缩Navier-Stokes方程在非结构的动态网格上用有限体积法离散,并用预处理的双时间步推进、隐式LU-SGS迭代求解。几个扑翼算例的结果表明,该方法充分利用了Delaunay图映射网格变形方法的高效率,同时也发挥了嵌套网格处理大幅运动的优势;用于既有整体大幅扑动又有局部小变形的柔性扑翼流场计算,可取得令人满意的精度和效率。     

适用于非定常流模拟的分布式并行GMRES方法

为提高计算流体力学方法的收敛性和对高性能并行计算机的适应性,发展了适用于非定常流模拟的GMRES并行全隐式方法,并开展了相应的收敛和并行特性研究。采用变子空间数GMRES方法,减小重启过程计算时间;通过分区并行和Hybrid LU-SGS预处理算子实现方法的分布式并行化;采用鲁棒的Negative-SA湍流模型获得更大CFL数,采取计算和存储雅可比矩阵、网格重排序方法提高计算效率。利用这套方法完成了平面流、NACA0012翼型扰流、翼身组合体扰流、F-16战斗机非定常气动弹性和旋翼前飞流场的数值模拟。结果表明其计算效率较LU-SGS方法提高20%～200%;适用于当代高性能计算机分布式并行结构,并行效率非常高,在240个计算核心上出现了加速比的超线性。     

基于非结构动网格的跨声速非定常流场求解

对用于非结构动网格生成的弹簧近似方法进行了研究.通过采用顶点弹簧方法,分析研究了弹簧倔强系数的取值,同时通过引入防扭转、防挤压倔强系数和边界修正,对标准弹簧近似方法进行了改进.采用改进后的方法并通过耦合求解了基于ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)描述的Euler方程,模拟了做谐和振动的刚性无后掠机翼及某翼身组合体的跨声速绕流.结果表明,改进后的方法可以大大提高网格变形能力和网格质量,且计算结果与实验结果吻合良好.     

基于非结构重叠网格的二维外挂物投放模拟

本文发展了基于非结构重叠网格的动态网格技术,并提出了新的相邻单元搜索算法。非结构重叠网格集非结构网格和重叠网格的优点于一身,适合处理复杂外形和多体相对运动问题。新的相邻单元搜索算法在碰到物面时能继续搜索下去,搜索效率大大提高。非定常Euler方程的求解,采用有限体积法,时间上采用双时间步长推进。为验证算法的有效性,先对绕振荡NACA0012翼形的流动进行了模拟;然后通过耦合求解刚体三自由度运动方程,模拟了二维外挂物投放过程,结果表明非结构重叠网格在处理多体相对问题时具有优越性。     

基于背景网格簇的动网格生成方法

提出了基于背景网格簇实现网格变形的新方法。背景网格簇由任一内边界节点和远场边界角点生成的背景网格构成,并随边界运动而变化。通过保持计算网格节点在每一个背景网格中所在单元的面积坐标不变(三维时保持体积坐标不变)而求出一组期望位置,加权平均该组期望位置,确定出该计算网格节点的新位置。其中权值与内边界节点和计算网格节点距离的倒数相关。新方法引入的背景网格簇可以有效地改进单个背景网格的不足之处。算例结果表明:基于背景网格簇的动网格生成方法实现简单,与弹簧近似法相比,新方法因不需要迭代求解方程组而非常高效,且拥有更强的网格变形能力;与Delaunay图映射法相比,该方法背景网格的单元个数极少,因此易于定位,且不会出现背景网格单元交叉的现象,网格变形能力更强,变形后的网格质量更好。     

基于机器学习的非定常流场网格自适应

现有针对非定常流场数值模拟的网格自适应方法,通常每隔一段时间步就进行一次网格调整,增加了计算复杂度和精度损失。针对这一问题,本文基于间断伽辽金（discontinuity Galerkin, DG）有限元法提出了结合BPNN(backpropagation neural network)和MMPDE(moving mesh partial differential equation)的非定常流场网格自适应方法。该方法首先采用DG有限元法对Navier-Stokes方程进行非定常计算,得到统计意义上的网格间断量;然后以初始网格和间断量训练BPNN回归模型,用于预测任意位置节点的间断量;接着使用MMPDE变分法移动网格节点,使其符合统计意义的间断量分布;最终通过Laplacian网格平滑法保证网格单元质量。圆柱绕流非定常流场算例的验证结果表明,该方法能够在不改变网格拓扑结构和不增加节点数的情况下完成一次性网格自适应,显著提高了非定常流场数值计算的精度和效率。     

基于非结构背景网格的动网格方法研究

借鉴弹簧动网格方法和Delaunay背景图方法,提出一种基于非结构背景网格的动网格生成方法。先用少量的物面控制点生成相对较粗的非结构背景网格,再用弹簧法将动边界的变化量作用到该背景网格,然后利用计算网格与背景网格的映射关系插值生成对应的动网格,最后对物面网格点及其附近受影响的密网格点进行局部网格修正,获得最终计算所需的动网格。所提方法与直接弹簧法比较,由于弹簧法作用的背景网格远粗于实际的计算网格,提高了计算效率,此外,由于网格的运动受控于受弹簧法作用的背景网格,边界变形或运动能较为均匀地传递到内部网格上,使网格单元过渡光滑,提高了动网格的质量。给出若干算例,展示了方法的效率和可行性。     

两种典型非结构网格变形方法特性对比研究

非定常流动仿真中常常遇到运动边界的情形,基于物理模型的线性弹簧法和基于数学方法的径向基函数(RBFs)插值法是实现计算网格随运动边界变化的两种主要的非结构网格变形方法。以NACA0012翼型的俯仰运动为例,对上述两种方法的变形特性进行较详细地定量分析研究,比较线性弹簧法和RBFs方法的CPU计算时间和最大变形能力,分析两种方法的网格质量随俯仰角度和运动步数的关系,并给出典型状态下网格单元质量云图和流场计算结果。结果表明:基于RBFs插值的网格变形方法计算效率较高,变形能力较强且能保持较高的网格质量,是一种高效的网格变形方法。     

基于非结构动网格的非定常气动力计算

对用于非结构动网格生成的弹簧近似方法进行了研究。通过采用顶点弹簧方法,分析研究了弹簧倔强系数的取值,同时通过引入挤压倔强系数和边界修正,对标准弹簧近似方法进行了改进。改进后的方法可以大大提高网格变形能力和网格质量。应用本文发展的非结构动网格生成方法耦合求解基于Arbitrary Lagrangian-Eulerian(ALE)描述的欧拉方程,计算了谐和振动NACA0012翼型及矩形机翼的跨声速非定常气动力,计算结果与参考文献提供的结果及实验结果吻合良好。     

用动态非结构重叠网格法模拟三维多体相对运动绕流

 发展了动态非结构重叠网格技术。本文提出了基于阵面推进的相邻单元搜索算法和适合于高阶空间离散格式的网格间插值关系定义方法,前者提高了非结构重叠网格在模拟多体间具有大幅相对运动的非定常问题时网格处理的效率,而后者保证了网格间边界附近流场求解精度;本文非定常Euler方程的求解采用有限体积法,通量计算采用Osher格式,时间积分采用双时间步长推进。为验证本文提出的方法,分别对定常M6机翼绕流和机翼下外挂物投放过程的非定常绕流进行了模拟,结果表明本文提出的方法提高了非结构重叠网格在模拟多体间具有大幅相对运动问题时的效率,保证了网格边界处的精度,具有较高的工程应用价值。     

基于非结构嵌套网格方法的旋翼地面效应数值模拟

 建立了一个基于非结构嵌套网格的流场求解器,用来精确模拟复杂的旋翼近地流场,为更好地分析地面效应(IGE)对旋翼气动特性的影响提供一套计算方法。在该求解器中,控制方程采用惯性坐标系下的非定常N-S方程,空间方向上采用二阶迎风格式,并用背景网格的一个面模拟地面作用,以方便地面边界条件的处理。应用所建立的模型,首先针对有实验结果可供对比的旋翼无地面效应（OGE）流场进行了数值模拟,以验证计算方法。然后着重计算了IGE下流场中的桨尖涡空间位置和旋翼拉力增益,并对旋翼在小速度前飞状态下的近地流场及地面涡形成过程进行了模拟和分析。在此基础上,得出了一些有意义的结论。     

一种计算非定常二维流动的无网格算法

主要目的是发展一套求解非定常流动的无网格算法。计算区域的离散方面,提出了一种按区域进行填充布点的点云自动生成方法;发展了一种点云的运动技术来实现离散点云对物面边界的随体运动;在点云离散的基础上,采用最小二乘法求解矛盾方程的方法来求取空间导数,进而获得数值通量;采用双时间方法进行时间离散推进,其中物理时间迭代采用二阶隐式格式,伪时间迭代采用四步龙格一库塔显式格式,为了加速收敛,在伪时间迭代中采用了当地时间步长和隐式残值光顺等加速收敛措施。最后,利用本文算法模拟了NACA0012翼型和NACA64A010翼型的跨音速非定常流动,并将计算结果与实验测量结果进行了对比分析,验证了上述方法的正确性和实用性。     

分层嵌套重叠网格自适应树结构动态组装方法

采用重叠网格可以有效地进行复杂流动的大规模数值模拟,特别是包含运动部件(如旋翼、投弹)的动态模拟。本文将树结构的自适应直角网格用于重叠网格组装过程中的切割和贡献单元的搜索,大大加快重叠网格的组装速度。通过二叉树自适应直角网格对物体外形进行离散,实现切割过程的快速定位;采用八叉树自适应直角网格对流场区域进行离散,高效地搜索贡献单元。使用基于壁面距离准则的重叠区域最小化方法和分层嵌套重叠策略,能提高重叠网格组装的效率和质量。对于具有运动部件的动态重叠网格问题,采用多个二/八叉树减少组装过程中信息更新的冗余计算,从而大幅度减少重叠网格组装的时间消耗。实际算例的重叠网格组装结果说明本文发展的重叠网格组装方法具有很高的计算效率,可以满足运动边界复杂流动问题的动态计算要求。     

一种新的动网格方法及其应用

 介绍了一种新型的动网格方法。该方法以Delauney图为基础进行整个网格的移动变形：首先是生成满足Delauney特性的Delauney图;然后把对网格移动的特性映射到Delauney图的移动上;最后把网格点在Delauney图以映射的方式进行重新定位而得到新的网格点坐标,从而得到移动后的网格。该方法不需要迭代,因而效率高,并且能适用于任意拓扑结构的网格。以翼身组合体的机翼颤振、翼身融合体的变体过程的非定常流动等为例来说明该方法的高效性及适用面广等特点。