三维非结构网格DSMC方法的实现及其应用

研究了三维非结构网格DSMC方法实现的过程.将Bird位置元方案中的子网格思想引入到非结构网格上来,只存储子网格的总体标识号,利用较少的计算网格提高了分子的分辨率与计算精度.提出了将体积元坐标搜索算法与交替数字二叉树搜索算法(ADT)相结合的方法来跟踪模拟分子在网格之间的迁移,使用ADT方法判别分子与物面是否作用,避免了分子表面反射的非确定论判据.利用Fortran 90的动态分配内存技术编制了通用计算程序.最后对高超声速过渡流域航天飞机头部外形绕流进行了数值模拟,数值结果初步验证了算法的可行性.     

非结构重叠网格方法研究及应用

航空、航天和兵器技术等领域的研究中存在大量包含运动边界的流场。非结构重叠网格方法是一种高效的处理动边界问题的新方法。围绕相对运动的每个物体单独生成非结构网格,在网格重叠区域通过搜索和插值完成网格系之间的信息传递,提出了动态八叉树搜索算法,发展了绝对坐标系和相对坐标系相结合的流场求解方式,采用二阶精度Van Leer/Hanel格式和四阶Runge-Kutta法分别进行空间和时间离散,形成了一种新的非结构重叠网格算法。对三维Riemann问题的求解结果与精确解能很好吻合,证明了本文的重叠网格算法具有较好的时空离散精度和插值精度。对7.62mm步枪射击过程进行了数值模拟,描述了弹丸离开膛口后膛口流场的发展过程,与实验结果体现的发展过程较为吻合,验证了本文提出的非结构网格算法体系具有较好的计算性能,是研究含动边界复杂流场的一种有效手段。     

NND格式在非结构网格中的推广

在张涵信提出的无波动、无自由参数的差分格式（ＮＮＤ格式）的基础上,构造了适用于非结构网格的二阶精度ＮＮＤ有限体积格式,解决了现有非结构网格方法中为抑制激波附近的波动而必须引入含自由参数的人工粘性项的困难,并采用网格自适应技术以提高效率．通过对二维平板激波反射和前台阶在管道内的流动问题的计算,表明本方法可有效地用于Ｅｕｌｅｒ方程的求解．     

非结构网格热化学非平衡辐射流场数值计算

针对三维热化学非平衡辐射流场设计了基于非结构网格的数值计算方法. 根据原子分子光谱理论逐条计算了100$\sim$1\,500\,nm间N, O, N$^{ + }$, O$^{ + }$的谱线以及N计算流体力学; 辐射; 热化学非平衡; 非结构网格; 有限体积法针对三维热化学非平衡辐射流场设计了基于非结构网格的数值计算方法.根据原子分子光谱理论逐条计算了100～1 500nm间N,O,N+,O+的谱线以及N2,O2,NO,N+2等分子的10个谱带,特别分析了NO的β'带,γ'带,δ带和ε带的辐射特性.采用耦合辐射的双温模型计算热化学非平衡流场,辐射源项通过直接求解辐射输运方程RTE(radiative transport equation)获得.在空间和方向上分别离散后,利用有限体积法求解不同方向上的辐射输运方程.计算得出了再入飞行器前驻点的辐射强度分布.采用该数值方法计算了MUSES-C模型在速度为11.6km/s时的绕流流场及前驻点处的辐射热流密度.并通过对比分析了热辐射对流场的影响.     

二维自适应非结构网格DSMC并行算法研究

研究了二维自适应非结构网格DSMC并行算法实现的过程.首先提出了一类非结构网格自适应策略,有效降低了网格尺度对计算结果的影响,提高了流场的分辨率;然后基于PC-CLUSTER群机并行体系结构与消息传递库MPI并行环境,利用分区并行思想,设计了非结构网格DSMC并行算法,节约了计算时间.利用For-tran90的动态分配内存技术编制了通用计算程序;最后对过渡流域高超声绕流进行了数值模拟,计算结果初步验证了算法的可行性与有效性.     

多维迎风方法在非结构/混合网格热流计算中的应用研究

非结构/混合网格具有极强的几何灵活性,在复杂外形飞行器的气动力特性数值模拟中已得到广泛应用,但目前还难以准确地预测气动热环境。本文从非结构/混合网格热流计算的三个需求出发,选取了多维迎风方法,并与其他方法进行了对比研究。以二维圆柱高超声速绕流这一Benchmark典型问题为例,对比研究了多维迎风方法和几种广泛使用的无粘通量格式(Roe格式、Van Leer格式和AUSMDV格式)对混合网格热流计算精度的影响。结果表明,多维迎风方法在热流计算精度、鲁棒性以及收敛性方面表现良好。最后,将多维迎风方法应用于常规混合网格上的圆柱和钝双锥绕流问题,均得到了较好的热流计算结果,为非结构/混合网格热流计算在复杂高超飞行器中的应用奠定了基础。     

一种新的准结构网格生成方法

在有限元分析中,高质量的结构网格可以有效地提高有限元分析的精度,但结构网格的几何适应性差,针对复杂边界的二维计算模型,现有的方法很难自动生成高质量的结构网格;而非结构网格几何适应性很好,但存在计算效率低和精度差等问题。提出了一种新的准结构网格生成方法,能够实现复杂区域的网格自动生成并且具有高网格质量。该方法首先对计算区域运用Delaunay三角剖分技术生成粗背景网格;然后利用背景网格,使用优化的Voronoi图生成过渡的蜂巢网格;最后,通过中心圆方法对蜂巢网格单元进行结构网格剖分。分析NACA0012翼型数值模拟结果表明,提出的新准结构网格生成方法能够对边界复杂的模型自动生成高质量的网格,并且通过三种不同拓扑类型网格计算结果相互对比及与实验结果对比,证明准结构网格具有高计算精度。     

基于非结构/混合网格的高阶精度格式研究进展

尽管以二阶精度格式为基础的计算流体力学(CFD) 方法和软件已经在航空航天飞行器设计中发挥了重要的作用, 但是由于二阶精度格式的耗散和色散较大, 对于湍流、分离等多尺度流动现象的模拟, 现有成熟的CFD 软件仍难以给出满意的结果, 为此CFD 工作者发展了众多的高阶精度计算格式. 如果以适应的计算网格来分类, 一般可以分为基于结构网格的有限差分格式、基于非结构/混合网格的有限体积法和有限元方法,以及各种类型的混合方法. 由于非结构/混合网格具有良好的几何适应性, 基于非结构/混合网格的高阶精度格式近年来备受关注. 本文综述了近年来基于非结构/混合网格的高阶精度格式研究进展, 重点介绍了空间离散方法, 主要包括k-Exact 和ENO/WENO 等有限体积方法, 间断伽辽金(DG) 有限元方法, 有限谱体积(SV) 和有限谱差分(SD) 方法, 以及近来发展的各种DG/FV 混合算法和将各种方法统一在一个框架内的CPR (correctionprocedure via reconstruction) 方法等. 随后简要介绍了高阶精度格式应用于复杂外形流动数值模拟的一些需要关注的问题, 包括曲边界的处理方法、间断侦测和限制器、各种加速收敛技术等. 在综述过程中, 介绍了各种方法的优势与不足, 其间介绍了作者发展的基于\"静动态混合重构\" 的DG/FV 混合算法. 最后展望了基于非结构/混合网格的高阶精度格式的未来发展趋势及应用前景.     

N-S方程在非结构网格下的求解

在Ｒｏｅ的矢通量差分分裂的基础上,吸收了ＮＮＤ格式的优点,提出了一种非结构网格下求解Ｅｕｌｅｒ方程和Ｎ－Ｓ方程的高分辨率高精度迎风格式．这种格式具有捕捉强激波和滑移线的良好性能．在时间方向上采用了显式和隐式两种解法．文中还给出了自适应技术．最后,成功地完成了ＧＡＭＭ超音速前台阶绕流、二维平板无粘激波反射、三维Ｈｏｂｓｏｎ叶栅流动、ＶＫＩ叶栅流动、Ｃ３Ｘ叶栅流动的数值模拟,得到了满意的结果     

基于背景网格变形的动态网格移动方法

基于Delaunay背景网格插值技术的动态网格生成方法无需迭代计算,效率较高。但对复杂构形大幅运动的动边界问题,尤其当边界大幅转动时,背景网格极易交叉重叠。重新生成背景网格和重新定位网格节点信息不仅费时而且会导致网格质量的严重下降。本文提出改进的基于背景网格的动态网格变形方法,通过在初始Delaunay背景网格中添加辅助点,生成一层新的背景网格和新的映射关系;采用ball-vertex弹簧法驱动新背景网格的变形,进而牵动目标网格的变形。算例表明,本文提出的动态网格变形方法对所关心区域的网格具有良好保形性,边界可转动更大角度而不会出现网格交叉重叠问题,总体上提高了动态网格更新的效率和质量。     

Considerations on the spring analogy

This paper presents an investigation on the spring analogy. The spring analogy serves for deformation in a moving boundary problem. First, two different kinds of springs are discussed: the vertex springs and the segment springs. The vertex spring analogy is originally used for smoothing a mesh after mesh generation or refinement. The segment spring analogy is used for deformation of the mesh in a moving boundary problem. The difference between the two methods lies in the equilibrium length of the springs. By means of an analogy to molecular theory, the two theories are generalized into a single theory that covers both. The usual choice of the stiffness of the spring is clarified by the mathematical analysis of a representative one‐dimensional configuration. The analysis shows that node collision is prevented when the stiffness is chosen as the inverse of the segment length. The observed similarity between elliptic grid generation and the spring analogy is also investigated. This investigation shows that both methods update the grid point position by a weighted average of the surrounding points in an iterative manner. The weighting functions enforce regularity of the mesh. Based on these considerations, several improvements on the spring analogy are developed. The principle of Saint Venant is circumvented by a boundary correction. The prevention of inversion of triangular elements is improved by semi‐torsional springs. The numerical results show the superiority of the segment spring analogy over the vertex one for a small rotation of an NACA0012 mesh. The boundary correction allows for large deformation of the mesh, where the standard spring analogy fails. The final test is performed on a Navier–Stokes mesh. This mesh contains high aspect ratio mesh cells near the boundary. Large deformation of this mesh shows that the semi‐torsional spring improvement is imperative to retain the validity of this mesh. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于二重网格的动网格松弛法改进

相比传统的弹簧法等方法,基于球松弛算法的动网格松弛法在复杂边界大变形条件下可以得到质量更高的边界网格以及更大的极限变形量,但该方法在时间效率上还有提升的空间.引入二重网格,采用动网格松弛法进行稀疏网格的网格变形,将边界位移传递到整个网格计算域;再利用二重网格映射,将稀疏网格位移映射到原有计算网格的节点上.算例表明,改进...     

三维非结构聚合多重网格法数值模拟研究

在三维非结构网格上应用聚合式多重网格技术来加速Euler方程的收敛过程．自行设计了一种高效率的网格聚合方法．采用四重三维非结构网格,在每一层网格上采用有限体积法进行计算．通过对M6翼型的数值求解验证了多重网格加速收敛的高效性．     

GMRES方法在含动边界流场中的应用

以基于格心的有限体积法为基础，空间二阶精度，采用4阶Runge—Kutta，GMRES隐式方法求解基于ALE形式的Euler方程，网格单元边界处守恒量通量的计算采用了Hanel方法，对NACA0012翼型绕流及运动圆球绕流等问题进行数值模拟，取得了较好的结果．GMRES方法克服了以往隐式方法大量耗费内存的弱点，达到了计算耗时短和占用内存少的统一．     

Adaptive meshing techniques for viscous flow calculations on mixed element unstructured meshes

An adaptive refinement strategy based on hierarchical element subdivision is formulated and implemented for meshes containing arbitrary mixtures of tetrahedra, hexahedra, prisms, and pyramids. Special attention is given to keeping memory overheads as low as possible. This procedure is coupled with an algebraic multigrid flow solver, which operates on mixed element meshes. Inviscid flows, as well as viscous flows, are computed on adaptively refined tetrahedral, hexahedral, and hybrid meshes. The efficiency of the method is demonstrated by generating an adapted hexahedral mesh containing 3 million vertices on a relatively inexpensive workstation. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.