CFD技术在目标电磁特性计算中的应用

电磁学中麦克斯韦方程组和流体力学中无粘流动欧拉方程一样,都是具有实特征值的双曲型偏微分方程组,相同的数学特性使得计算流体力学(CFD)技术能够在计算电磁学(CEM)中得以应用。采用MUSCL格式结合Steger-Warming分裂计算电磁通量,采用4阶Runge-Kutta法计算非定常时间推进,借鉴CFD方法计算电磁场边界条件;采用时域有限体积法(FVTD)数值模拟宽带脉冲波、完全导电体、含吸波材料涂层介质/金属混合体以及复杂外形目标的电磁散射。结果表明:基于CFD的FVTD方法能够高精度地计算目标的电磁特性。     

电大尺寸目标电磁散射的并行FVTD计算

实际目标的高频电磁散射模拟属于电大尺寸目标电磁计算问题,其高精度数值计算通常伴随着大存储量和大计算量的沉重负担。为保证高精度数值计算,构建了直接求解电磁学麦克斯韦方程组,采用贴体多块结构网格的时域有限体积法(FVTD)解算器。为解决大规模网格带来的大计算量问题,则采用MPI并行编程,进行网格多进程分割、负载平衡以及进程通信设置和程序并行化处理,成功地对电大尺寸飞翼外形进行了L波段双站电磁散射场和雷达截面(RCS)计算。结果表明pmbRCS3d这一并行高精度电磁散射模拟软件具有稳定和鲁棒特性,适合进一步应用于目标更高频段电磁散射计算。     

结构/直角切割网格下时域有限体积法在计算电磁中的应用研究

 采用有限体积法直接求解时域麦克斯韦方程组，研究了二维圆柱、翼型和三维球体、立方体、双球体等典型完全导电目标的电磁散射问题。空间离散使用近似黎曼解构建网格通量，并针对二维结构网格、三维自适应直角切割网格分别给出重构方法，时间方向采用二步龙格库塔法。计算与理论、实验或文献结果符合良好。     

一种TVD方法在三维非结构网格中的应用

以三维非结构网格的显式有限体积法为基础,采用了一种TVD方法求解三维Euler方程,使用Roe通量来计算网格单元边界处的守恒量通量.为了验证方法的可行性,用该方法模拟三维爆炸问题,得出的结论是我们的方法可行,稳定且有效.     

求解Euler方程的无网格与有限体积混合算法研究

研究了无网格方法与有限体积法相结合的、求解Euler方程的混合算法.与单一的无网格方法相比较,由于在大部分计算区域采用了有限体积法,使得发展的算法在运算效率上能与有限体积法相当;同时在物体附近嵌入了无网格区,使得在处理几何外形上更具灵活性.有关算法涉及的无网格与网格区域搭接处理,通过在交界面处引入辅助卫星点和网格单元构成边界信息,实现了区域间的流动信息传递.Euler方程的空间导数分别在两区域用有限体积法和无网格法离散近似,时间方向都采用四步显式Runge-Kutta格式推进求解,数值模拟了喷管内流和绕翼型外流,并分别与整体有限体积法和整体无网格方法进行了比较.算例展示出,提出的混合算法能有效捕捉激波间断,且两区域等值线过渡光滑,算法效率如预期与有限体积法相当,表明该方法是可行的.     

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。     

基于重叠网格技术和多重网格算法的悬停旋翼粘性绕流数值模拟

发展了一种基于重叠网格的多重网格算法,并应用于悬停旋翼粘性绕流的Navier-Stokes方程数值模拟.多重网格算法在重叠网格上实施主要面临如下两个问题:粗网格间几何关系的建立,即洞单元、边界单元的确定;洞边界存在的情况下如何进行粗细网格间流场信息的传递.本文针对以上问题给出了相应的解决方案.采用两层网格的V循环,应用有限体积法对一跨声速悬停旋翼粘性流场进行了数值计算.计算结果表明该多重网格方法可以显著加快悬停旋翼粘性流场数值解收敛速度,加速比约为3.     

欧拉方程隐式迭代矢通量分裂跨音流场计算

 本文用矢通量分裂格式的有限体积法求解时间相关欧拉方程组。文中证明,矢通量分裂的有限体积法不能再采用物面反射边界条件。二维问题用隐式迭代法解代数方程组,第三维方向上则用强隐格式往返扫描。此法CFL数可达100的数量级,收敛快,占内存少。跨音流场计算结果与实验符合良好,激波只占一两个网格。     

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。     

基于伴随方程的网格自适应及误差修正

基于流场方程的离散伴随优化理论和三维非结构网格,建立了网格自适应技术和目标函数误差修正方法。详细研究了用流动伴随变量进行目标函数的误差估计和修正技术,构造了适用于格心格式有限体积法的流场变量插值技术和网格单元剖分判据,初步实现了网格物面投影和空间单元优化,发展了适用于有限体积法的整套网格自适应方法。对NACA0012翼型和ONERA-M6机翼绕流进行了自适应数值模拟,并对升、阻力等目标函数进行了误差修正。数值结果表明,本文自适应方法能正确地捕捉到影响目标函数计算精度的敏感区域,网格自适应和误差修正两项技术显著提高了升、阻力等目标函数的计算精度。     

基于雷达散射截面约束的气动优化设计

采用拉格朗日乘子法优化设计了雷达散射截面约束条件下的锥形融合气动外形.拉格朗日乘子法中的极小化问题采用动态演化的优化设计方法求解.该方法是一种基于非定常演化的优化设计方法,即在求解非定常流动支配方程的时候同时履行优化过程,较其它基于定常解的优化方法具有高得多的计算效率.其中的雷达散射截面通过求解非结构的笛卡儿网格上的时域麦克斯韦方程来得到,而升阻比则通过求解锥形流方程来计算.通过优化设计,得到了M∞=8.0时,升阻比为4.98,雷达散射截面只有1.66m2的锥形融合气动外形.     

三维机翼的静气动弹性特性数值模拟研究

发展了一种计算流体动力学（CFD）和计算结构动力学（CSD）的耦合计算方法,对三维机翼的静气动弹性进行了数值模拟研究。采用三维欧拉方程为控制方程基于直角网格计算气动力,并耦合结构静平衡方程进行静气动弹性数值模拟,设计了CFD/CSD耦合计算的数据交换的方式。以M6机翼作为算例,进行了机翼静气动弹性的数值模拟,计算结果表明所发展的三维机翼静气动弹性数值模拟方法是合理可行的,并可作为机翼结构优化设计和考虑结构弹性变形影响的气动外形优化设计的基础。     

Circuit Analysis of Eddy Currents

Maxwell's equations govern the eddy-current phenomenon, and are the starting point of this analysis. It is shown that Maxwell's equations, as applied to steady-state ac conditions, can be transformed to a Fredholm-type integral equation in eddy-current density. In turn, it is demonstrated that the method of subareas can be used to solve the Fredholm equation. This approach leads to the familiar circuit-analysis concepts of resistance and inductance in finite coupled circuits. The coupledcircuit method can be utilized in cases of complex, mixed boundary conditions without difficulty, as is illustrated by an example of the eddy-current losses in a conducting disk of finite thickness and finite radius, in the presence of a current-carrying loop. Experimental data is presented which confirms the theory, for a range of disk thicknesses. References are included to previous work.     

Elimination of electromagnetic radiation in plasma simulation: The Darwin or magneto inductive approximation

For many astrophysical and magnetic fusion applications, the purely electromagnetic modes generated by real as well as simulation “plasma” fluctuations are a source of high frequency radiation that is often irrelevant to the physics of interest. Unfortunately, a numerical CFL stability limit prevents either making c infinite or Δt large while using the usual explicit Maxwell's equations for the fields. A modification of Maxwell's equations, which provides implicitly the field components, circumvents this problem. The solution is to neglect retardation effects so that the electromagnetic propagation speed is effectively infinite. The purely electromagnetic modes in this limit evolve “instantly” to a time-asymptotic configuration about the macroscopic plasma configuration at each new time level. The Darwin or magnetoinduetive approximation effectively provides infinite propagation speeds for purely electromagnetic modes by converting Maxwell's equations from hyperbolic to elliptic in character. In practice, this is accomplished by neglecting the solenoidal part of the displacement current. The elimination of the CFL time step constraint more than offsets the substantially more complicated field solution that is required. The details of a numerical implementation of this model will be presented. Numerical examples will be given and extentions of the Darwin field solution to other plasma models also will be considered. This work was performed under the auspices of the U. S. Department of Energy by the Lawrence Livermore National Laboratory under Contract No. W-7405-Eng-48.     

空间回路网法在隐身结构电磁散射计算中的应用

随着计算机技术的发展,计算电磁学得到了极大地发展和运用。它可以通过数值计算得到描述宏观电磁场的Maxwell方程组的解,从而分析介质的电磁性能。本文介绍了空间回路网法（SNM）的基本原理和使用方法。并计算了8 GHz平面波条件下的正方形格栅结构的反射率,通过比较发现单元尺寸为半波长时,电磁波吸收性能强于1倍波长情况。     

运输机翼型结冰的计算和实验

采用数值计算和结冰风洞实验相结合的手段,对某运输机机翼剖面缩比翼型的结冰特性进行了研究.结冰实验在气动中心0.3m×0.2m结冰风洞中进行,实验模型为弦长0.18m的层流翼型.翼型的绕流流场通过求解低速黏流的时均Navier-Stokes(N-S)方程得到,采用拉格朗日法计算水滴撞击特性,在此基础上,求解结冰热力学模型...     

基于计算电磁学方法的旋翼雷达散射截面特性

以Maxwell方程组为主控方程,时间离散采用4步Runge-Kutta法,空间离散使用MUSCL(monotonic upstream-centered scheme for conversation laws)格式与Steger-Warming通量分裂结合的方法,建立了一套基于时域有限体积法的旋翼RCS(雷达散射截面)特性数值计算方法.采用代数方法生成围绕旋翼的O型贴体、正交网格.在验证方法有效性基础上,着重分析了旋翼平面和翼型RCS极化、入射角、电尺寸等影响特性,并给出了翼型几何特点对RCS的影响规律;然后运用线性加权和法进行了旋翼翼型隐身性能的综合筛选.研究表明:旋翼RCS动态包络线是一个强散射水平的连续振荡区域;选取3片桨叶旋翼的最大雷达探测距离为2片桨叶的82.2%,且有利于控制旋翼的散射最大峰值.同时,HH02旋翼翼型在4个重要的散射角域,最大探测距离分别为NACA0012翼型的105.1%,99.4%,86.6%和83.5%,表明综合雷达隐身性能最好.     

基于流线跟踪法的气动热工程计算研究

运用结构化网格求解三维Euler方程,计算得到边界层外缘无粘流场气流参数;利用无粘流场气流参数和表面流函数的方法计算了飞行器无粘表面流线分布;在理论和半经验公式的基础上,计算了定比热比和变比热比情况下驻点热流密度,非驻点区域采用参考焓、局部相似性等方法来确定飞行器表面的气动加热,实现了数值算法与工程算法的耦合.上述方法用于求解高超声速钝双锥的表面热流分布,计算结果与经典的热流公式和实验结果进行对比,平均精度为10%左右,满足高超声速飞行器概念研究和初步设计的需要.      

电弧喷射推力器化学非平衡数值模拟

为了准确把握电弧喷射推力器工作过程物理机理与特征,采用化学非平衡模型对不同压缩室直径下低功率氮电弧喷射推力器工作情况进行了数值模拟。模型考虑了工作过程中的分解反应、电离反应和复合反应,化学动力学模型为4组分,4反应的有限速率化学反应模型。采用二阶精度NND格式数值求解耦合电磁源项和化学反应源项的N S方程组,采用有限控制容积积分方法求解由麦克斯韦方程组推导出的电磁场方程。数值模拟的结果揭示了推力器内部电弧能量输入作用和高温电离气体的离解电离状况,给出了不同压缩室直径下推力器的推力、比冲和推进效率。结果分析表明,压缩室直径对推力器性能具有较大影响。