一种提高极值点处收敛精度的三阶WENO-Z格式

为了提高三阶WENO-Z格式在极值点处的计算精度，通过理论推导给出三阶WENO格式满足收敛精度的充分条件。采用泰勒级数展开的方式，推导给出所构造格式非线性权重的计算公式，并综合权衡计算精度和计算稳定性确定所构造格式的参数。通过两个典型的精度测试，验证了改进格式在光滑流场极值点区域逼近三阶精度。进一步选用激波与熵波相互作用和Richtmyer-Meshkov不稳定性等经典算例，证实了本文提出的改进格式WENO-PZ3相较其他格式（WENO-JS3和WENO-Z3）不仅具有较高的精度，而且降低了格式的耗散，提高了对流场结构的分辨率。     

三阶WENO格式精度分析与改进

高分辨率激波捕捉格式对含激波流场的数值模拟具有重要意义。通过理论推导分析了WENO-JS3格式和WENO-Z3格式的精度,发现两种格式在光滑流场区域（包含极值点处）具有相同的理论精度且均低于三阶设计精度,WENO-Z3格式由于增大了非光滑模板的非线性权重使其计算精度有所提高。在理论推导的基础上,提出了WENO-Z+3格式及其改进格式（WENO-Z+3P1和WENO-Z+3P32）,且改进格式在光滑流场区域能满足所设计的三阶精度要求。选用一维平面黎曼问题及双马赫反射等经典算例,验证了本文提出的WENO-Z+3格式及其改进格式相较其他格式具有耗散低和对流场结构分辨率高的特性。     

三阶WENO格式精度分析与改进

高分辨率激波捕捉格式对含激波流场的数值模拟具有重要意义。通过理论推导分析了WENO-JS3格式和WENO-Z3格式的精度,发现两种格式在光滑流场区域(包含极值点处)具有相同的理论精度且均低于三阶设计精度,WENO-Z3格式由于增大了非光滑模板的非线性权重使其计算精度有所提高。在理论推导的基础上,提出了WENO-Z+3格式及其改进格式(WENO-Z+3P1和WENO-Z+3P32),且改进格式在光滑流场区域能满足所设计的三阶精度要求。选用一维平面黎曼问题及双马赫反射等经典算例,验证了本文提出的WENO-Z+3格式及其改进格式相较其他格式具有耗散低和对流场结构分辨率高的特性。     

无粘可压缩流动的改进高精度方法

为更准确捕捉复杂流场的流动细节,通过对WENO格式的光滑因子进行改进,发展了一种新的五阶WENO格式。对三阶ENO格式进行加权可以得到五阶WENO格式,但是不同的加权处理,WENO格式在极值处保持加权基本无振荡的效果不同,本文构造了二阶精度的局部光滑因子,及不含一阶二阶导数的高阶全局光滑因子,从而实现WENO格式在极值处有五阶精度。基于改进五阶WENO格式,对一维对流方程、一维和二维可压缩无粘问题进行算例验证,并与传统WENO-JS格式和WENO-Z格式进行比较。计算结果表明,改进五阶WENO格式有较高的精度和收敛速度,有较低的数值耗散,能有效捕捉间断、激波和涡等复杂流动。     

基于混合型WENO格式数值模拟四类Riemann问题

本文基于三阶WENO格式和三阶WENO-Z格式，利用有限体积法研究了同一格式在不同方向使用不同的求解器，以及在不同方向采用相同精度的不同格式数值模拟4类Riemann问题，分析各向异性对数值计算结果的影响．数值结果表明，无论是使用不同的格式，还是使用不同的求解器进行数值模拟，都会导致数值结果不同程度地失去图像对称性．     

七方程可压缩多相流模型的HLLC格式及应用

针对Saurel和Abgrall提出的两速度两压力的七方程可压缩多相流模型,改进了其数值解法并应用于模拟可压缩多介质流动问题.在Saurel等的算子分裂法基础上,根据Abgrall的多相流系统应满足速度和压力的均匀性不随时间改变的思想,推导了与HLLC格式一致的非守恒项离散格式以及体积分数发展方程的迎风格式.进一步,通过改变分裂步顺序,构造了稳健的结合算子分裂的三阶TVD龙格-库塔方法.最后通过几个一维和二维高密度比高压力比气液两相流算例,显示了该方法在计算精度和稳健性上的改进效果.      

AN HLLC SCHEME FOR THE SEVEN-EQUATION MULTIPHASE MODEL AND ITS APPLICATION TO COMPRESSIBLE MULTICOMPONENT

针对Saurel和Abgrall提出的两速度两压力的七方程可压缩多相流模型,改进了其数值解法并应用于模拟可压缩多介质流动问题．在Saurel等的算子分裂法基础上,根据Abgrall的多相流系统应满足速度和压力的均匀性不随时间改变的思想,推导了与HLLC格式一致的非守恒项离散格式以及体积分数发展方程的迎风格式．进一步,通过改变分裂步顺序,构造了稳健的结合算子分裂的三阶TVD龙格一库塔方法．最后通过几个一维和二维高密度比高压力比气液两相流算例,显示了该方法在计算精度和稳健性上的改进效果．     

通量限制器对算法性能的影响

在非正交曹线坐标系下,本文给出了求解非线性双曲型Ｅｕｌｅｒ方程的ＬＵ－ＡＵＳＭＬＷ算法。为了改进该算法的性能,将高分辨率ＡＵＳＭＰＷ格式的空间精度由一阶精度扩展到三阶精度。分析了选择通量限制器对算法稳定性、收敛性和精度的影响,并构造了一种新的能量限制器。本文数值结果表明,通量限制器是决定ＬＵ－ＡＵＳＭＰＷ算法性能的关键因素,并且该算法采用本文构造的通量限制器,求解非线性双曲型Ｅｕｌｅｒ方程,具有较     

求解双曲型守恒律的半离散三阶中心迎风格式

给出了求解一维双曲型守恒律的一种半离散三阶中心迎风格式，并利用逐维进行计算的方法将格式推广到二维守恒律。构造格式时利用了波传播的单侧局部速度，三阶重构方法的引入保证了格式的精度。时间方向的离散采用三阶TVD Runge—Kutta方法。本文格式保持了中心差分格式简单的优点，即不需用Riemann解算器，避免了进行特征分解过程。用该格式对一维和二维守恒律进行了大量的数值试验，结果表明本文格式是高精度、高分辨率的。     

一种改进的中心-WENO混合格式

基于中心差分与WENO格式混合可以改善WENO格式耗散特性的思想,在理论推导的基础上,给出了一种用于激波捕捉计算的守恒型中心-WENO混合格式,该混合格式可视为三阶WENO格式和二阶中心差分格式的加权平均。在数值研究现有加权函数的基础上,给出了适用于该混合格式的加权函数,使其能够自适应地调整数值耗散以捕捉激波间断。数值结果表明:与三阶WENO格式相比,混合格式HY3_4能够降低数值耗散,更陡峭地捕捉间断,对复杂流场结构具有较高的分辨率;混合格式HY3_5对于包含高压比激波间断流场结构,能给出无振荡、低耗散的结果。     

带有沙漏控制的相对自由度壳元非线性动力分析

针对八节点相对自由度壳单元，给出了单元内坐标和位移的插值公式，利用HuWashinzu变分原理，基于拟应变法，在大变形情况下推导了拟应变的表达式，构造了带有沙漏控制的动力问题的有限元求解格式。通过算例表明该文提出的基于相对自由度壳元的沙漏控制算法能够很好地解决非线性动力问题，可改善计算精度和计算效率。     

改进的五阶WENO-Z+格式

WENO-ZWENO-Z$+\!$格式的性能提升依赖于新增项的作用,该项的作用是在WENO-Z格式的基础上进一步增大欠光滑子模板上的权重. 系数$\lambda$被设置用来调控该项的作用, 以避免负耗散. 本文指出了WENO-Z$+\!$格式的缺陷,其所采用$\lambda $的取值方式既不能充分发挥格式的潜力, 也未完全消除负耗散;提出$\lambda $的值应随当地流场数据变化,方能充分发挥新增项在降低数值耗散、提高分辨率上的潜力. 基于此,本文重新设计了$\lambda $的计算公式,该公式能自适应地调控新增项的作用: 只在欠光滑子模板上的权重容易过度增大的地方削弱该项的作用,以避免负耗散; 在其他地方则充分发挥新增项的作用,最大限度增大欠光滑子模板上的权重, 提高格式的分辨率.将使用该系数公式的新格式命名为WENO-Z++, 并对其数值性能进行了系统的研究.理论分析表明, 新格式在间断处具有基本无振荡(essentially non-oscillatory,ENO)特性和更低的数值耗散. 对近似色散关系(approximate dispersion relation,ADR)的研究表明,新格式有效地避免了因过度增大欠光滑子模板上的权重而带来的负耗散,其频谱特性也得到了显著提升.本文还推导了使新格式在极值点处也能保持最优阶的精度的参数设置.一系列求解Euler方程的数值试验表明,新格式的激波捕捉能力和对复杂流场结构的分辨率都显著优于原WENO-Z$+\!$格式.}     

二维CE/SE算法改进及其高阶精度格式

通过提出一种新的守恒元和解元划分方式对二维时-空守恒元解元算法(CE/SE)进行了改进,推导了改进CE/SE算法的一、二阶精度计算格式,并给出了更高阶精度计算格式的构造方法。利用得到的改进CE/SE格式对激波反射问题、后台阶扰流问题及隔墙坑道传播问题进行了数值模拟。数值结果表明,对CE/SE算法的改进是成功的。改进CE/SE算法有诸多优点,值得在数值模拟中推广使用。     

基于神经网络改进WENO-Z重构方法

本文通过使用深度神经网络对WENO-Z格式的非线性权重进行改进,提出了一种新的WENO-Z-NN格式．新格式首先用神经网络去随机扰动有限体积系数集,然后用代表偏微分方程解的波形生成的数据,采用L2正则化来学习扰动的最优函数,最后引入测试函数并结合最小总变差和最小总偏差作为评估依据进行后处理,从而得到新的权重．一维波动方程和一维Euler方程的数值结果表明,无论是在粗网格还是在细网格,本文所提出的WENO-Z-NN格式的激波捕捉能力明显优于传统的WENO-Z和WENO-JS-NN格式．     

改进WENO格式及其在爆轰计算中的应用

对已有的一种改进型WENO-M格式进行了理论上的修正,得到了新的WENO权函数。与原WENO-M格式相比,新得到的WENO-M-P格式减少了约9%的CPU计算时间,同时也保证了在一阶极值点处不降低精度（经典的WENO格式在一阶极值点处精度下降）,仍然保持5阶精度。为了验证修正后的格式,采用二步反应模型数值模拟了几组一维和二维爆轰：在一维爆轰模拟中,对比了WENO-M格式和WENO-M-P格式在一定温度下的最低起爆压强以及一定压强下的最低起爆温度;在二维旋转爆轰的模拟中,对比了WENO-M格式和WENO-M-P格式的计算效果。结果表明：在同样的起爆温度下,WENO-M 格式和 WENO-M-P 格式的最低起爆压强均高于 WENO格式,但WENO-M-P格式比WENO-M格式的最低起爆压强低;三种格式在不同压强下的最低起爆温度相同;WENO-M-P格式具有和WENO-M格式一样的计算效果,优势是节省了计算时间。     

流体动力系统激波的数值模拟

本文为了对流体动力系统含有激波的跨音速流动进行数值模拟,给出了曲线坐标系下的LU-AUSMLW算法。该算法综合利用了AUSMPW格式与LU-SGS方法的优点。本文通过采用三阶MUSCL格式获得高阶精度。为了验证该算法的精度,对通道和叶栅中含有激波的跨音速流动进行了数值模拟。本文数值试验的计算结果与文献计算结果相符很好。     

TVD三阶和四阶格式求解渗流方程新方法

在使用显式格式计算含水率曲线过程中,如果空间步长太大,则会造成差分格式的不稳定.为了减弱空间步长带来的影响,建立了TVD三阶和四阶格式来计算两相流问题的含水率,与一点上游加权格式和两点上游加权格式进行比较,可以看出,用TVD格式计算的结果与实际结果更接近;该格式在稳定性方面也比上游加权格式稳定,Courant数的大小对格式的稳定性起决定作用.     

基于改进三阶剪切梁理论和偶应力理论的梁运动方程

基于改进三阶剪切梁理论和采用偶应力理论考虑梁微元体刚体转动的动能,用哈密顿原理推导了矩形截面梁横向振动的变分一致运动方程.所得运动方程是以梁挠度和横截面的平均转角为基本变量的六阶偏微分方程,并且含有一个材料/结构内禀尺度.通过考虑极限条件下(波长趋于零时)的相速度极值,利用参数匹配法求得梁在横向振动时的内禀尺度.求解了无限长梁的振动波长趋于梁高度时的相速度,所得结果与弹性力学解吻合.计算结果表明,当梁的振动波长趋于梁高度时,偶应力对梁的横向振动频率有较大的影响.同时采用改进三阶剪切梁理论和拟协调元法推导了考虑偶应力效应的两节点梁单元,和求解了不同边界条件下梁的高阶频率.与文献结果对比表明,论文所给梁单元不仅精算效率高,且计算准确.     

高精度边界格式的研究

利用有精确解的Ｒｉｎｇｌｅｂ流动，构造了对流场数值解精度进行检验的“Ｒｉｎｇｌｅｂ机器”．重点讨论了边界格式对流场数值解的影响及高精度边界格式的建立．计算表明，在场内应用二阶精度格式情况下，采用二阶精度的边界格式所得到的流场解精度将大大高于采用一阶边界格式所得到的精度．为提高流场解的精度，不仅需要高精度的边界格式，还必须注意边界格式与场内格式的匹配．计算还表明，采用特征线修正的方法能有效地提高边界处理的精度     

结构动力响应分析的三阶显隐式时程积分方法

基于泰勒级数展开式提出了一种用于结构动力响应分析的高精度时程积分方法,该方法假设t时刻的速度和加速度由t-Δt时刻、t时刻、t+Δt时刻的速度和加速度加权表示,并可根据求解需要调节权值,将积分算法构造成隐式格式或显式格式。通过理论分析和数值算例,计算讨论了该算法的稳定性和精度,确定了最佳的权值和允许的时间步长。结果表明:本文算法最高具有三阶精度,且具有振幅衰减率低、周期延长率极小等优点。最后结合一个铁道工程实例,表明本文算法适用于大型非线性动态响应的精确快速求解。