网格与高精度差分计算问题

研究NS方程差分求解时来流雷诺数、计算格式精度和计算网格之间的关系．给出了判定空间三个方向上的粘性贡献在给定雷诺数、格式精度和网格下是否能够正确计入的估计方法．指出在NS方程的二阶差分方法的数值模拟中,由于物面法向采用了压缩网格技术,物面附近的网格间距很小,该方向上的粘性贡献可被计入．但是如果流向和周向的网格较粗,相应的差分方程中的粘性贡献可能落入截断误差相同的量级,因此在精度上等于仍是求解略去流向和周向粘性项的薄层近似方程．指出,高阶精度的差分计算格式,可以避免对网格要求苛刻的困难．并进一步讨论了建立高阶精度格式的问题,提出了建立高阶精度格式应该满足的原则：耗散控制原则以及色散控制原则．为了避免激波附近可能出现的微小非物理振荡,建议发展混合高阶精度格式,即在激波区,采用网格自适应的NND格式,在激波以外的区域,采用按上述原则发展的高阶格式．     

一种激波稳定的对流-压力通量分裂格式

针对欧拉方程三种流行的对流-压力通量分裂方法(Liou-Steffen,Zha-Bilgen和Toro-Vázquez)进行特征分析,进而提出一种新的对流-压力通量分裂格式。采用Zha-Bilgen分裂方法将欧拉方程的通量分裂成对流项和压力项两部分,使用TV格式来计算这两部分的数值通量。利用压力比构造激波探测函数,并且在强激波附近的亚声速区域增加TV格式的剪切粘性来克服数值模拟中的激波不稳定性。数值算例的计算结果表明,新的对流-压力通量分裂格式不仅保留了原始TV格式精确分辨接触间断的优点,而且具有更好的鲁棒性,在数值模拟多维强激波问题时不会出现不稳定现象。因此,该格式是一种精确并且具有强鲁棒性的数值方法,可以广泛地应用于可压缩流体的数值计算中。     

高精度迎风紧致差分格式与热流计算研究的注记

利用高精度差分格式求解了可压缩 N-S方程球头热流问题。分析了不同差分格式在对球头粘性绕流热流计算中存在的问题 ,并分析了相应的网格雷诺数。在利用高精度迎风紧致 [1 ] 格式求解粘性绕流热流问题时 ,采用 Steger-Warming[2 ]的通量分裂技术将守恒型方程中的流通向量分裂成两部分 ,在此基础上据风向构造逼近于无粘项的高精度迎风格式。对方程中的粘性部分采用中心差分格式。数值结果表明 :高精度差分格式能在较大的网格雷诺数下较好地计算球头驻点热流     

近似黎曼解对高超声速气动热计算的影响研究

高超声速流场计算一般采用TVD型格式,这些格式中,大多采用了不同形式的近似黎曼解. 通过分析和数值验证,论述了激波捕捉格式中近似黎曼解的耗散性质,说明其对高超声速热流计算的影响. 数值实验证明,采用低耗散格式可大大提高热流计算精度,降低热流计算对网格的依赖程度,从而获得精确的热流数值解.      

对称性与激波捕捉中的非物理波动问题

众所周知传统的一些激波捕捉格式（如Godunov，Roe格式）仅靠格式本身的耗散无法完全抑制激波下游的振荡。本文从微分方程拥有的内在对称性角度对此问题进行探讨。指出了Lax—wendroff格式数值求解无粘Burgers方程的问题出现空间振荡与对称破缺之间的内在联系。本文的研究表明：对称破缺可能是在激波附近导致数值解出现三种异常现象的内在机制。     

二维对流扩散方程的欧拉—拉格朗日分裂格式

本文在[1]基础上发展了一种有效的处理大P_e(R_e)数、非定常二维对流扩散方程的欧拉-拉格朗日(E-L)分裂格式,由于方法本质上与区域形状无关,且不需再分网格,因此是一种无网格的E-L方法,特别对于定常流动,E.-L.分裂格式可以导致比一阶迎风格式更精确的单调、无振荡格式,文中对于常系数、变系数和非线性的二维非定常和定常对流扩散方程的(初)边值问题进行了数值计算,数值结果与精确解的比较表明,本方法具有很好的精度,解是单调无振荡的,比通常一阶迎风格式具有较少的数值扩散,最大计算网格P-e(R-e)数可达100—500。     

平面叶栅跨音流场气动特性的数值研究

通过对模型方程的分析，给出了一种新的隐格式构造思想。将它运用到关通量分裂格式中，可得到无近似因子分解、无矩阵运算的高效二阶精度隐式矢通量分裂差分格式，并用来直接求解时间平均Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程组。数值计算标明：该方法具有精度高、稳定性好、计算量少、收敛快等优点，在平面叶栅跨音流场的计算中，较好地捕获了激波，与实验比较，结果令人满意。     

非流线体分离流动态载荷的数值模拟方法研究

以圆柱绕流为研究对象,针对圆形边界,采用O型网格对流场进行离散,用二阶精度的中心差分有限体积法作空间离散,用二阶精度的中心差分处理时间问题,用双时间方法求解了二维非定常Navier-Stokes方程,系统研究了计算方法对收敛精度、时间步长和网格数量的依赖性.计算结果表明,对于长时间历程的非定常问题,虽然双时间方法收敛性很好,但对于分离流而言,时间步长的选取并非没有限制;每一步伪时间的推进中,收敛精度也有要求;而要模拟圆柱分离流的非线性气动力现象,计算网格至少要达到260×80的数量.     

论粘性激波层理论的理论基础及其进一步发展

本文将Davis的量级分析方法改用匹配渐近展开方法,作为一级近似推导出了高超音速化学反应粘性激波层方程。证明了粘性激波层方程是NS方程在匹配渐近意义上的一级近似方程。进一步讨论了这一方程的基本假设条件。本文首次推导出的二级近似方程,是对Davis粘性激波层方程的修正。这种修正可以提高数值解的精度,有助于对问题获得更全面的了解,对进一步发展与完善高超音速钝头体绕流问题的数值求解方法起一定的作用。     

用隐式方法和WENO格式计算悬停旋翼跨声速无粘流场

寻找一种能够准确计算以涡为主要特征的复杂流场和克服尾迹耗散问题的数值方法,一直是旋翼空气动力学研究的热点和难点。本文发展了一种基于高阶迎风格式计算悬停旋翼无粘流场的隐式数值方法。无粘通量采用Roe通量差分分裂格式,为提高精度,使用五阶WENO格式进行左右状态插值,并与MUSCL插值进行比较。为提高收敛到定常解的效率,时间推进采用LU-SGS隐式方法。用该方法对一跨声速悬停旋翼无粘流场进行了数值计算,数值结果表明WENO-Roe的激波分辨率高于MUSCL-Roe,体现出了格式精度的提高对计算结果的改善,LU-SGS隐式方法的计算效率比5步Runge-Kutta显式方法的高。     

船用燃气轮机进气滤清器惯性级内的流场计算和实验验证

本文提出了一套求解船用燃气轮机进气滤清器流道流场的数值方法,成功地计算了流道内流场的状态,给出了各种不同型号流道的气动特性,对指导滤清器的设计有较大的现实意义, 在这套方法中,我们应用上风差分来逼近二维、非定常、粘性、不可压缩流体非守恒型的N-S方程,提出了一种可计算雷诺数高达上万的粘性流的差分方程,考察了这种差分方程的稳定性,收敛性、精度和人工粘性,本文还提出了处理一些边界拐点处壁涡的计算方法,实际算例表明,使用本文提出的差分方程和壁涡处理方法给出的计算结果和实验吻合良好。     

非稳态Hamilton-Jacobi方程的7阶加权紧致非线性格式

Hamilton-Jacobi (HJ) 方程是一类重要的非线性偏微分方程, 在物理学、流体力学、图像处理、微分几何、金融数学、最优化控制理论等方面有着广泛的应用. 由于HJ方程的弱解存在但不唯一, 且解的导数可能出现间断, 导致其数值求解具有一定的难度. 本文提出了非稳态HJ方程的7阶精度加权紧致非线性格式 (WCNS). 该格式结合了Hamilton函数的Lax-Friedrichs型通量分裂方法和一阶空间导数左、右极限值的高阶精度混合节点和半节点型中心差分格式. 基于7点全局模板和4个4点子模板推导了半节点函数值的高阶线性逼近和4个低阶线性逼近, 以及全局模板和子模板的光滑度量指标. 为避免间断附近数值解产生非物理振荡以及提高格式稳定性, 采用WENO型非线性插值方法计算半节点函数值. 时间离散采用3阶TVD型Runge-Kutta方法. 通过理论分析验证了WCNS格式对于光滑解具有最佳的7阶精度. 为方便比较, 经典的7阶WENO格式也被推广用于求解HJ方程. 数值结果表明, 本文提出的WCNS格式能够很好地模拟HJ方程的精确解, 且在光滑区域能够达到7阶精度; 与经典的同阶WENO格式相比, WCNS格式在精度、收敛性和分辨率方面更优, 计算效率略高.      

一种面向激波噪声计算的加权优化紧致格式及非线性效应分析

在超声速流动中, 激波与湍流结构的相互作用会产生高强度的激波噪声. 激波噪声的高保真计算要求激波捕捉格式具有高阶精度、低耗散和低色散特性, 同时还要尽可能地减弱格式的非线性效应. 现有的六阶精度迎风/对称混合型加权非线性紧致格式CCSSR-HW-6在基于对称模板构造网格中心处的数值通量时引入了两级加权, 且两级加权都需要构造非线性的权系数, 因而非线性效应较强. 本文以修正波数的误差积分函数为优化目标函数, 优化了CCSSR-HW-6格式的非线性特性, 建立了加权优化紧致格式WOCS. 精度验证表明WOCS格式的精度高于5阶. 谱特性分析表明, 与原方法相比, WOCS格式的耗散误差和非线性效应显著降低. 典型激波噪声问题数值实验表明: WOCS格式不仅提高了对高频波的分辨能力, 而且显著地消除了数值解中因格式的非线性效应所导致的非物理振荡.      

粘性不可压缩流的壁涡数值边界条件

本文对具有固壁边界的二维粘性不可压缩定常流提出了一种四阶壁涡公式,并构造了一类非平凡的精确解。用两种具有代表性的内点差分格式及六种常用的壁涡公式(包括本文提出的一种),对本文所构造的雷诺数直到2000的一系列流动进行了数值求解,并以所构造的精确解为基准,分析和比较了这六种壁涡格式的精度、稳定性和收敛速度。计算结果表明,本文所提出的壁涡公式是这六种公式中最好的一种。本文数值实验中的一些结果对粘性不可压缩流固壁数值边界条件的处理可能具有一定的普遍意义。     

不可压缩Navier-Stokes方程的差分格式研究

本文对二维不可压缩Nayier-Stokes方程构造了一类精确解,并在精确的初始条件和边界条件之下,用七种常用的差分格式进行了数值求解。以所构造的精确解为基准,对这七种格式进行了稳定性分析和误差分析,比较了它们的优劣,得到了一些对N-S方程的差分方法求解也许会具有一定普遍指导意义的结论。     

数值求解Navier—Stokes方程的迎风紧致差分格式

从迎风紧致逼近^[1]出发,提出数值求解可压Navier-Stokes方程的一种高精度的数值方法。利用Steger-Warming的通量分裂技术^[2]将守恒型方程中的流通向量分裂成两部分,在此基础上据风向构造逼近于无粘项的三阶迎风紧致有限差分格式。对方程中的粘性部分采用通常的二阶差分逼近。所建立的差分格式被用来数值求解了三维粘性绕流问题。     

基于非结构/混合网格模拟黏性流的高阶精度DDG/FV混合方法

间断Galerkin有限元方法 (discontinuous Galerkin method, DGM)因具有计算精度高、模板紧致、易于并行等优点,近年来已成为非结构/混合网格上广泛研究的高阶精度数值方法.但其计算量和内存需求量巨大,特别是对于网格规模达到百万甚至数千万的大型三维实际复杂外形问题,其计算量和存储量对计算资源的消耗是难以承受的.基于"混合重构"的DG/FV格式可以有效降低DGM的计算量和存储量.本文将DDG黏性项离散方法推广应用于DG/FV混合算法,得到新的DDG/FV混合格式,以进一步提高DG/FV混合算法对于黏性流动模拟的计算效率.通过Couette流动、层流平板边界层、定常圆柱绕流,非定常圆柱绕流和NACA0012翼型绕流等二维黏性流算例,优化了DDG通量公式中的参数选择,验证了DDG/FV混合格式对定常和非定常黏性流模拟的精度和计算效率,并与广泛使用的BR2-DG格式的计算结果和效率进行对比研究.一系列数值实验结果表明,本文构造的DDG/FV混合格式在二维非结构/混合网格的Navier-Stokes方程求解中,在达到相同的数值精度阶的前提下,相比BR2-DG格式,对于隐式时间离散的定常问题计算效率提高了2倍以上,对于显式时间离散的非定常问题计算效率提高1.6倍,并且在一些算例中,混合格式具有更优良的计算稳定性.DDG/FV混合格式提升了计算效率和稳定性,具有良好的应用前景.     

一种鲁棒的HLLC格式及其稳定性分析

精确捕捉接触波和剪切波的Godunov型数值方法,如流行的HLLC格式,在模拟高超声速流动问题时会出现激波异常现象。对HLLC格式进行稳定性分析发现,流体主流方向的扰动都能有效衰减,但是横向的密度与剪切速度的扰动不会衰减。具有特殊对称性的二维Sedov爆轰波问题证明了横向通量和不稳定现象之间的密切联系。利用压力比和马赫数来探测数值激波层亚声速区的横向网格界面,并且在该界面的数值通量上增加熵波粘性和剪切波粘性来构造一种激波稳定的HLLC格式。分析表明,在熵波粘性和剪切波粘性的作用下,横向的所有扰动都会衰减。一系列数值测试证明了新格式不仅可以成功地抑制各类激波异常现象,还保留了原HLLC格式低耗散性的优点。     

基于Hopf-Cole变换的Burgers方程初边值问题的Sinc-Galerkin法

利用Sinc-Galerkin法数值求解Burgers方程的初边值问题。首先,用Hopf-Cole变换将二阶非线性的Burgers方程变换为二阶线性方程,同时把第一类边界条件变为第二类边界条件。时间上的导数采用θ加权格式离散,空间导数采用Sinc-Galerkin法离散,端点处分别引入权函数处理变换后的第二类边界条件。最后,通过数值算例验证了Sinc-Galerkin法的指数收敛性,与精确解相比,本文构造的数值格式精度高,能够有效捕捉激波等物理现象。     

超音速粘性流动的SUPG有限元数值解法

本文构造了准简化 N-S 方程组的 SUPG(Streamline Upwind/Petrov-Galerk-in)加权剩余式,并利用该方法对 Burgers 方程、无粘性激波反射问题、以及超音速平板和压缩拐角的层流流动作了数值求解。计算结果表明,本文方法是精确、收敛和稳定的。