基于小波奇异分析的流场计算方法及应用

首次将三维小波以及二维小波奇异性分析的思想引进三维以及二维复杂流场的数值计算,发展了一种高效率、高精度、高分辨率的方法.该算法的核心是获取流场中物理量在不同空间点的Hlder指数α,而该指数α的获取又依赖于小波变换以及高维(即二维或三维)小波分析技术.在三维与二维欧氏空间中,为进行小波多分辨分析,需要在尺度空间与小波空间分别引进尺度基与小波基.对二维问题,尺度基与小波基的基底要由1个尺度函数与3个小波函数组成,而三维时要由1个尺度函数和7个小波函数组成.借助于小波奇异分析所找到的流场中奇异点区域与光滑区域,便可分别选用高分辨率、高精度的WENO(weighted essential non-oscillatory)格式与高精度中心差分格式进行流场的离散求解.一系列二维(即,①二维前台阶问题的Euler流;②二维双马赫反射的Euler流; ③著名的二维Riemann问题;④跨声速RAE2822翼型二维绕流; ⑤跨声速VKI-LS 59二维涡轮叶栅绕流)与三维(即,⑥跨声速轴流压气机转子NASA(National Aeronautics and Space Administration) Rotor 37三维黏性绕流;⑦跨声速风扇转子NASA Rotor 67三维黏性绕流)算例表明:该方法的计算效率比传统的WENO格式有较大的提高,大部分典型算例能够提高3~5倍,而且可以获取复杂流场中高分辨率的激波结构以及涡系分布,可以得到与有关实验数据较为吻合的数值结果.      

一种基于三阶WENO重构的无网格算法研究

提出了基于三阶WENO重构的无网格算法,以期替代传统的无网格线性逼近重构,提高无网格算法的求解精度。基于无网格点云卫星点分布特征,通过沿点云中心点与卫星点连线方向引入局部一维坐标系,并结合虚拟点的设置,构成了在点云中实施三阶WENO重构所要求的模板。算法涉及的卫星点连线中点处的左右状态值,则利用模板上各点的流场值,采用WENO重构方法计算给出。对于模板中设置的虚拟点上的流场值,本文则利用已有的无网格点云信息,基于最近节点流场值插值得到。文中给出了采用上述WENO重构方法,结合Roe的近似Riemann求解器确定通量,并采用三阶TVD Runge-Kutta方法进行时间推进求解Euler方程的具体实施过程。对模型问题的典型流动进行了计算分析,通过比较数值解和精确解,验证了算法获得的数值解能逼近三阶精度。给出的激波管流动和超声速半圆柱绕流算例展示出所发展的算法捕捉激波等间断问题具有更高分辨率,能体现出WENO重构"基本无振荡"的特性。文中最后给出了非定常激波过弯道绕双圆柱流场的数值模拟算例,展示了所发展的算法处理含非定常激波演化的复杂流动问题的效果。     

双脉冲发动机EDPM软隔层含率相关能量限制器的黏超弹本构模型

在软隔层式双脉冲发动机中的设计过程中,软隔层的变形及破坏是一个很重要的问题。传统的表征橡胶类材料的超弹本构模型不能准确描述软隔层在工作过程中的变形及失效行为。为此,在Volokh等提出的含能量限制器的黏超弹本构模型的基础上,引入含率相关项的能量限制器,使其能够描述EPDM软隔层在单轴拉伸时的断裂伸长率的率相关性。为获取模型参数,进行了单轴拉伸试验,并采用最小二乘法拟合出模型参数。最后,利用所建的本构模型与试验结果进行了比较,比较结果表明模型能较好地预测EPDM在单轴拉伸时的失效行为。     

边界层对横流干扰流场的影响

应用三阶的WENO格式，结合k-ε两方程湍流模型，求解二维Favre平均N-S方程，计算了平板上横向喷出的音速气流和马赫数为3.71的超音速气流的混合流场。计算结果与实验结果比较吻合。对比了不同边界层厚度的影响，结果表明，随着边界层厚度的增加，分离点的位置远离射流，穿透深度增加。     

大气层内导弹侧向喷流干扰流场的数值模拟

采用3阶的WENO格式计算了大气层内带有侧向喷流的超声速导弹绕流流场。计算显示了喷流和绕流干扰的流动结构。喷流上游的高压区域包络弹体,与喷流下游的低压区域一起削弱了喷流产生的侧向力。在文中计算条件下,喷流放大因子小于1,并形成了较小的俯仰力矩。     

一种求解激波问题的中心差分-WENO混合方法研究

为提高求解包含激波问题的计算精度和效率,发展了一种低耗散、高效率的中心差分-WENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory)混合格式,Navier-Stokes方程的无黏项在光滑流场区域采用六阶中心差分格式离散,而间断附近采用五阶WENO格式求解;基于密度设计了一种新型格式开关实现两种格式在光滑区域和间断之间自动切换,确保数值解在间断附近基本无振荡。针对一维激波熵波作用问题验证了混合格式的低耗散特性;对二维Riemann问题的研究表明发展的基于密度的格式开关更为合理,混合格式的计算效率较WENO格式明显提高;将其应用到激波诱导燃烧问题中,混合格式能很好地捕捉定常流场中激波和化学反应锋面的位置以及非定常流场的振荡频率。     

通量限制器与LED性质、空间离散精度

本文从标量形式的ＵＳＬＩＰ格式出发,从理论上分析了通量限制器与ＬＥＤ性质和空间离散精度的关系。利用Ｒｏｅ平均矩阵的Ｕ特性和广义数值Ｒｉｅｍａｎｎ不变量的概念,将此类格式应用于二维翼型跨声流场的数值模拟,针对提供的来流条件,考查了不同的通量限制器对流场计算精度的影响。     

高超声速边界层感受性问题高精度数值模拟

通过五阶WENO格式和六阶对称紧致格式以及三阶TVD R-K结合的方法,对存在强激波和小扰动相互干扰的高超声速边界层感受性问题进行研究.结果表明:此方法能够模拟边界层内不稳定波的产生和发展以及小扰动和激波相互干扰等现象,因此能广泛应用于含激波的感受性等问题的可压缩湍流直接数值模拟以及具有激波和边界层干扰等复杂流场的计算.     

限制器对高超声速体表面热流数值模拟的影响

采用Roe的FDS（Flux Difference Splitting）差分格式结合min mod,van Leer和Osher-C限制器,对高超声速体外部流场进行数值模拟.研究了限制器对高超声速体气动力/热数值模拟的区别,对比分析了3种限制器对三维模型表面热流数值模拟结果的影响.研究表明,限制器对数值模拟精度有重要影响,且对气动热数值模拟的影响大于对气动力的影响;对简单或较复杂的气动外形,采用Roe的FDS格式结合min mod限制器获得的表面热特性比它结合van Leer和Osher-C限制器时要好,可为热防护设计提供可靠结果.      

适用于Mie-Grüneisen状态方程的一种通用激波限制器

为了求解含Mie-Grüneisen状态方程多介质可压缩流动问题,针对界面追踪方法,发展了一种通用的激波限制器。根据平均守恒误差及L1误差随参数的变化情况,确定了参数的范围。由于表达式不含有状态方程中的物性参数,所以它适用于任何一种形式的状态方程。通过具体算例分析了激波限制器的开关闭状态。数值结果表明文中构造的激波限制器可以用于计算含强激波的一般状态方程的多介质可压缩流动问题。