THE INFLUENCE OF GLOBAL-DIRECTION STENCIL ON GRADIENT AND HIGH-ORDER DERIVATIVES RECONSTRUCTION OF UNSTRUCTURED FINITE VOLUME METHODS 1)

模板选择方式对非结构有限体积方法的计算准确性会产生显著影响. 在之前的工作中, 基于局部方向模板存在的问题, 我们探索了一种更加简单有效的全局方向模板选择方法, 并将其应用于二阶精度非结构有限体积求解器. 基于该方法找到的模板单元均沿着壁面法向与流向, 可有效捕捉流场变化, 反映流动的各向异性, 并且模板选择过程脱离了对网格拓扑的依赖, 避免了局部方向模板选择方法中复杂的阵面推进与方向判断过程, 克服了在大压缩比三角形网格上模板单元偏离壁面法向的现象, 同时在二阶精度求解器上得到了较高的计算精度与计算准确性. 为了进一步验证全局方向模板在高阶精度非结构有限体积方法中应用的可行性, 本文初步测试了该模板对变量梯度及高阶导数重构的影响. 经检验, 在不同类型的网格上, 采用全局方向模板得到的变量梯度与高阶导数误差明显低于局部方向模板, 同时也低于共点模板的计算误差. 此外, 在高斯积分点处由全局方向模板得到的变量点值与导数误差同样在三种模板中最低. 因此该模板选择方法在非结构有限体积梯度与高阶导数重构方面具有较好的数值表现, 具备在高阶精度非结构有限体积求解器中应用并推广的可行性.     

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.     

求解对流扩散方程的一种高效的有限体积法

考虑无结构三角网格上求解对流扩散方程的有限体积法.引入一种梯度函数的计算方法,将现有方法中计算解变量在网格单元中心和网格单元边界的梯度的两个独立过程改造成一个过程来完成,发展了一种求解对流扩散方程的高效的有限体积法.数值实验结果表明,该方法完全达到了已有方法同样的精度,而在计算速度上有明显的提高.     

非结构网格二阶有限体积法中黏性通量离散格式精度分析与改进

非结构网格二阶有限体积离散方法广泛应用于计算流体力学工程实践中,研究非结构网格二阶精度有限体积离散方法的计算精度具有现实意义. 计算精度主要受到网格和计算方法的影响,本文从单元梯度重构方法、黏性通量中的界面梯度计算方法两个方面考察黏性流动模拟精度的影响因素. 首先从理论上分析了黏性通量离散中的“奇偶失联”问题,并通过基于标量扩散方程的制造解方法验证了“奇偶失联”导致的精度下降现象,进一步通过引入差分修正项消除了“奇偶失联”并提高了扩散方程计算精度;其次,在不同类型、不同质量的网格上进行基于扩散方程的制造解精度测试,考察单元梯度重构方法、界面梯度计算方法对扩散方程计算精度的影响,结果显示,单元梯度重构精度和界面梯度计算方法均对扩散方程计算精度起重要作用;最后对三个黏性流动算例(二维层流平板、二维湍流平板和二维翼型近尾迹流动)进行网格收敛性研究,初步验证了本文的结论,得到了计算精度和网格收敛性均较好的黏性通量计算格式.      

非结构网格质量对梯度重构及无粘流动模拟精度的影响

综合利用理论分析和数值测试手段,研究了非结构格心型有限体积离散中梯度重构算法的计算精度,分别给出了非结构算法中常用的基于Green-Gauss公式(GG方法)和基于Least squares方法(LSQ方法)的梯度重构方法达到至少一阶精度的条件。其中,GG方法在面积分低阶项不能互相抵消的情况下,要求面心插值精度达到至少二阶;而LSQ方法对于任意网格均能实现梯度重构一阶精度。在各向同性网格上的梯度重构精度数值测试验证了数学推导结论;进一步通过制造解方法量化无粘流动数值离散误差,结合网格收敛性测试研究了网格质量(网格点随机扰动、网格弯曲度和网格倾斜度等因素)以及网格类型(三角形和四边形)对无粘流动模拟精度的影响,验证了理论分析结论。     

基于制造解的非结构二阶有限体积离散格式的精度测试与验证

随着计算机技术的飞速进步,计算流体力学得到迅猛发展,数值计算虽能够快速得到离散结果,但是数值结果的正确性与精度则需要通过严谨的方法来进行验证和确认.制造解方法和网格收敛性研究作为验证与确认的重要手段已经广泛应用于计算流体力学代码验证、精度分析、边界条件验证等方面.本文在实现标量制造解和分量制造解方法的基础上,通过将制造解方法精度测试结果与经典精确解(二维无黏等熵涡)精度测试结果进行对比,进一步证实了制造解精度测试方法的有效性,并将两种制造解方法应用于非结构网格二阶精度有限体积离散格式的精度测试与验证,对各种常用的梯度重构方法、对流通量格式、扩散通量格式进行了网格收敛性精度测试.结果显示,基于Green-Gauss公式的梯度重构方法在不规则网格上会出现精度降阶的情况,导致流动模拟精度严重下降,而基于最小二乘(least squares)的梯度重构方法对网格是否规则并不敏感.对流通量格式的精度测试显示,所测试的各种对流通量格式均能达到二阶精度,且各方法精度几乎相同;而扩散通量离散中界面梯度求解方法的选择对流动模拟精度有显著影响.     

非结构网格二阶有限体积法中黏性通量离散格式精度分析与改进

非结构网格二阶有限体积离散方法广泛应用于计算流体力学工程实践中,研究非结构网格二阶精度有限体积离散方法的计算精度具有现实意义.计算精度主要受到网格和计算方法的影响,本文从单元梯度重构方法、黏性通量中的界面梯度计算方法两个方面考察黏性流动模拟精度的影响因素.首先从理论上分析了黏性通量离散中的"奇偶失联"问题,并通过基于标量扩散方程的制造解方法验证了"奇偶失联"导致的精度下降现象,进一步通过引入差分修正项消除了"奇偶失联"并提高了扩散方程计算精度;其次,在不同类型、不同质量的网格上进行基于扩散方程的制造解精度测试,考察单元梯度重构方法、界面梯度计算方法对扩散方程计算精度的影响,结果显示,单元梯度重构精度和界面梯度计算方法均对扩散方程计算精度起重要作用;最后对三个黏性流动算例(二维层流平板、二维湍流平板和二维翼型近尾迹流动)进行网格收敛性研究,初步验证了本文的结论,得到了计算精度和网格收敛性均较好的黏性通量计算格式.     

一种在网格内部捕捉间断的Walsh函数有限体积方法

传统有限体积或有限元方法假定流动变量在单元内连续, 间断仅限于控制体的交界面上, 因此它们无法在控制体内部捕捉间断. 本文摒弃控制体内流动变量连续的假设, 将自身具有间断特点的Walsh基函数应用于有限体积方法, 把控制体内的流场变量表示成间断基函数的组合形式. 按照Walsh基函数在控制体内引入的间断数目和位置, 将控制体单元虚分为若干个分片连续的子单元, 并将Walsh基函数级数表征的守恒型控制方程在每个子单元上进行数值积分和离散求解.相对于传统有限体积方法, 这种利用Walsh基函数构造的新型有限体积方法能够以一定的比例减小数值误差, 提高分辨率, 并可实现控制体单元内部的间断捕捉, 本文将其命名为Walsh函数有限体积方法. 该方法在子单元尺度上仅具有一阶计算精度, 为进一步提高对光滑解的分辨率, 在每个控制体内利用子单元上的变量平均值进行重构, 提出了子单元尺度上具有的二阶/高阶计算精度的Walsh函数有限体积方法. 最后, 运用新发展的方法求解无黏Burgers方程和Euler方程, 并在相同的计算网格上与传统有限体积方法进行对比计算, 对新方法的计算精度、计算效率、间断捕捉能力和鲁棒性进行了验证.      

基于三角网格的四阶Hermite型对流守恒格式

提出一种基于三角网格的求解双曲对流方程的高阶守恒型格式.该格式首先在每个三角单元上重构二元三次Hermite插值多项式,以当前时刻单元节点处解的函数值、一阶空间导数值和该单元的积分平均值为插值条件.然后,利用Semi-Lagrange方法得到单元节点处的下一时刻解的函数值及导数值,而下一时刻的解的单元积分平均值由有限体积方法得到.本文所提出的格式将原始CIP方法从结构网格推广到非结构网格上,使得CIP方法能灵活地用于处理复杂边界问题.该格式为显式紧致格式,计算简单且易于实现.数值实验表明,该格式对于光滑解问题能达到四阶空间精度,而对于非光滑解问题能准确地捕捉激波的位置,改进了原始CIP格式的不守恒性.     

线化欧拉方程的高阶间断有限元数值解法研究

采用高阶间断有限元法于非结构网格上针对复杂外形数值求解声学控制方程------线化欧拉方程. 背景流场采用有限体积法于结构网格求得, 一种高精度数据传递方法将基于有限体积法的背景流场数据传递到声场计算所采用的较为稀疏的非结构网格上, 保证了背景流场信息的完整和精确. 为提高计算效率, 采用了一种更为直接的Quadrature-FreeImplementation技术以及网格分区并行技术. 数值结果表明采用高阶的情况下即使在稀疏的网格上也可以捕捉到细微的声场结构.      

SIMPLE‐type preconditioners for cell‐centered,colocated finite volume discretization of incompressible Reynolds‐averaged Navier–Stokes equations

This paper contains a comparison of four SIMPLE‐type methods used as solver and as preconditioner for the iterative solution of the (Reynolds‐averaged) Navier–Stokes equations, discretized with a finite volume method for cell‐centered, colocated variables on unstructured grids. A matrix‐free implementation is presented, and special attention is given to the treatment of the stabilization matrix to maintain a compact stencil suitable for unstructured grids. We find SIMPLER preconditioning to be robust and efficient for academic test cases and industrial test cases. Compared with the classical SIMPLE solver, SIMPLER preconditioning reduces the number of nonlinear iterations by a factor 5–20 and the CPU time by a factor 2–5 depending on the case. The flow around a ship hull at Reynolds number 2E9, for example, on a grid with cell aspect ratio up to 1:1E6, can be computed in 3 instead of 15 h.Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于静动态混合重构的DG/FV混合格式

通过比较紧致格式和间断Galerkin(DG)格式, 提出了``静态重构'和``动态重构'的概念,对有限体积方法和DG有限元方法进行统一的表述. 借鉴有限体积的思想, 发展了基于``混合重构'技术的一类新的DG格式, 称之为间断Galerkin有限元/有限体积混合格式(DG/FV格式). 该类混合格式通过适当地扩展模板(拓展至紧邻单元)重构单元内的高阶多项式分布, 在提高精度的同时, 减少了传统DG格式的计算量和存储量. 通过典型一维和二维标量方程的计算发现新的混合格式在有些情况下具有超收敛(superconvergence)性质.      

High‐order ENO and WENO schemes for unstructured grids

This work describes the implementation and analysis of high‐order accurate schemes applied to high‐speed flows on unstructured grids. The class of essentially non‐oscillatory schemes (ENO), that includes weighted ENO schemes (WENO), is discussed in the paper with regard to the implementation of third‐ and fourth‐order accurate methods. The entire reconstruction process of ENO and WENO schemes is described with emphasis on the stencil selection algorithms. The stencils can be composed by control volumes with any number of edges, e.g. triangles, quadrilaterals and hybrid meshes. In the paper, ENO and WENO schemes are implemented for the solution of the dimensionless, 2‐D Euler equations in a cell centred finite volume context. High‐order flux integration is achieved using Gaussian quadratures. An approximate Riemann solver is used to evaluate the fluxes on the interfaces of the control volumes and a TVD Runge–Kutta scheme provides the time integration of the equations. Such a coupling of all these numerical tools, together with the high‐order interpolation of primitive variables provided by ENO and WENO schemes, leads to the desired order of accuracy expected in the solutions. An adaptive mesh refinement technique provides better resolution in regions with strong flowfield gradients. Results for high‐speed flow simulations are presented with the objective of assessing the implemented capability. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

A semi-coarsening strategy for unstructured multigrid based on agglomeration

Extending multigrid concepts to the calculation of complex compressible flow is usually not straightforward. This is especially true when non-embedded grid hierarchies or volume agglomeration strategies are used to construct a gradation of unstructured grids. In this work, a multigrid method for solving second-order PDE's on stretched unstructured triangulations is studied. The finite volume agglomeration multigrid technique originally developed for solving the Euler equations is used (M.-H. Lallemand and A. Dervieux, in Multigrid Methods, Theory, Applications and Supercomputing, Marcel Dekker, 337–363 (1988)). First, a directional semi-coarsening strategy based on Poisson's equation is proposed. The second-order derivatives are approximated on each level by introducing a correction factor adapted to the semi-coarsening strategy. Then, this method is applied to solve the Poisson equation. It is extended to the 2D Reynolds-averaged Navier–Stokes equations with appropriate boundary treatment for low-Reynolds number turbulent flows. © 1998 John Wiley & Sons, Ltd.     

High‐order strand grid methods for low‐speed and incompressible flows

A novel high‐order finite volume scheme using flux correction methods in conjunction with structured finite differences is extended to low Mach and incompressible flows on strand grids. Flux correction achieves a high order by explicitly canceling low‐order truncation error terms across finite volume faces and is applied in unstructured layers of the strand grid. The layers are then coupled together using a source term containing summation‐by‐parts finite differences in the strand direction. A preconditioner is employed to extend the method to low speed and incompressible flows. We further extend the method to turbulent flows with the Spalart–Allmaras model. Laminar flow test cases indicate improvements in accuracy and convergence using the high‐order preconditioned method, while turbulent body‐of‐revolution flow results show improvements in only some cases, perhaps because of dominant errors arising from the turbulence model itself. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

Godunov-type solution of the shallow water equations on adaptive unstructured triangular grids

A Godunov-type upwind finite volume solver of the non-linear shallow water equations is described. The shallow water equations are expressed in a hyperbolic conservation law formulation for application to cases where the bed topography is spatially variable. Inviscid fluxes at cell interfaces are computed using Roe's approximate Riemann solver. Second-order accurate spatial calculations of the fluxes are achieved by enhancing the polynomial approximation of the gradients of conserved variables within each cell. Numerical oscillations are curbed by means of a non-linear slope limiter. Time integration is second-order accurate and implicit. The numerical model is based on dynamically adaptive unstructured triangular grids. Test cases include an oblique hydraulic jump, jet-forced flow in a flat-bottomed circular reservoir, wind-induced circulation in a circular basin of non-uniform bed topography and the collapse of a circular dam. The model is found to give accurate results in comparison with published analytical and alternative numerical solutions. Dynamic grid adaptation and the use of a second-order implicit time integration scheme are found to enhance the computational efficiency of the model.     

Cell-vertex Based Parallel and Adaptive Explicit 3D Flow Solution on Unstructured Grids

A parallel adaptive Euler flow solution algorithm is developed for 3D applications on distributed memory computers. Significant contribution of this research is the development and implementation of a parallel grid adaptation scheme together with an explicit cell vertex-based finite volume 3D flow solver on unstructured tetrahedral grids. Parallel adaptation of grids is based on grid-regeneration philosophy by using an existing serial grid generation program. Then, a general partitioner repartitions the grid. An adaptive sensor value, which is a measure to refine or coarsen grids, is calculated considering the pressure gradients in all partitioned blocks of grids. The parallel performance of the present study was tested. Parallel computations were performed on Unix workstations and a Linux cluster using MPI communication library. The present results show that overall adaptation scheme developed in this study is applicable to any pair of a flow solver and grid generator with affordable cost. It is also proved that parallel adaptation is necessary for accurate and efficient flow solutions.     

间断Galerkin有限元和有限体积混合计算方法研究

通过局部坐标变换而建立的非正交单元间断Galerkin(DG)有限元计算方法计算精度高， 但计算量大、内存需求大；而非结构网格有限体积方法虽然准确计算热流的问题目 前还没有完全解决，但其具有计算速度快和内存需求小的优点. 该研究是将有 限元和有限体积方法的优点结合，发展有限元和有限体积的混合方法. 在物面 附近黏性占主导作用的区域内采用有限元方法进行计算，在远离物面的区域采用快速的有限 体积方法进行计算，在有限元和有限体积方法结合处要保证通量守恒. 通过算例说明有 限元和有限体积混合方法既能保证黏性区域的热流计算精度和流场结构的分辨率，又能 降低内存需求和提高计算效率，使有限元方法应用于复杂外形(实际工程问题)的计 算成为可能.