用任意不规则网格求解N-S方程

引入辅助点法开发了新的通量近似计算方法，建立了采用任意不规则畸变网格作为控制体积的单元中心有限体积求解Navier—Stokes的方法。它以同位网格作为变量布置方式，压力一速度耦合采用SIMPLE方法。数值算例表明，该算法对高度不规则的畸变网格适应性强；其改进了传统算法在不规则网格下计算的困难，保证了模型在高扭曲度的网格下的整体计算精度不受网格拉伸畸变和剪切畸变的影响。     

一种有效的广义特征值分析方法

提出了一种适合于自适应有限元分析中求解广义特征值问题的多重网格方法．这种方法充分利用了初始网格下的结果，通过插值或最小二乘拟合技术来得到网格变化后的新的近似特征向量，然后由多重网格迭代过程实现对结构广义特征值问题的求解．在多重网格迭代的光滑步中，选择了收敛梯度法以提高其收敛率；在粗网格校正步中，则导出了一种近似求解特征向量误差的方程．这种方法将网格离散过程和数值求解过程很好地相结合，建立了一个网格细分后广义特征值问题的快速重分析方法，与传统有限元方法相比较，具有计算简便、计算量少等特点，可以作为结构动力问题自适应有限元分析的一种十分有效的工具．     

成品油管道顺序输送二维模型优化求解

将一种简化的自适应网格应用于顺序输送二维混油模型的计算中,网格的疏密程度由速度和浓度梯度控制且用动网格取代传统的固定网格.混油模型中采用混掺长度理论计算速度场和扩散系数,并考虑了油品黏度变化对混油的影响.提高传统数值解法的精度,减少计算量,使之适应于长输管线顺序输送的混油数值计算.通过在计算机上的数值模拟实验,证明了该方法的有效性,分析了雷诺数、输送顺序对混油的影响并得到混油随输送距离的变化规律.     

带源参数的二维热传导反问题的无网格方法

利用无网格有限点法求解带源参数的二维热传导反问题，推导了相应的离散方程. 与 其它基于网格的方法相比，有限点法采用移动最小二乘法构造形函数，只需要节点信息，不 需要划分网格，用配点法离散控制方程，可以直接施加边界条件，不需要在区域内部求积分. 用有限点法求解二维热传导反问题具有数值实现简单、计算量小、可以任意布置节点等优点. 最后通过算例验证了该方法的有效性.     

广义有限差分法求解Kirchhoff和Winkler薄板弯曲问题

本文将广义有限差分法用于数值计算Kirchhoff板和Winkler板的弯曲问题.广义有限差分法是基于最小二乘原理的一种区域型无网格方法. 相比于传统的网格类数值解法,广义有限差分法无需网格生成且无需数值积分.通过数值实验结果表明,广义有限差分法可以有效地求解两类薄板在不同横向荷载作用下的弯曲问题.     

断裂力学问题的杂交边界点方法

提出了一种求解断裂力学的新的边界类型无网格方法-杂交边界点法.以修正变分原理和移动最小二乘近似为基础,同时具有边界元法和无网格法的优良特性,求解时仅仅需要边界上离散点的信息.该文将杂交边界点方法应用到弹性断裂问题中,将移动最小二乘方法中的基函数扩充,能更好的模拟裂纹尖端应力场的奇异性,推导了求解断裂力学的杂交边界点法方程,与传统的元网格方法相比,文中方法具有后处理简单,计算精度高的优点.数值算例表明了该方法的稳定性和有效性.     

翼身组合体气动力计算研究

采用求解Euler方程结合附面层修正的方法在结构网格上对翼身组合体跨音速流场进行了数值模拟.附面层方程的求解应用Whitfield提出的动量积分方程和平均流动能积分方程,为了保持Euler方程求解过程中计算网格的固定性,用加在物面上的溢出速度来模拟附面层效应.针对传统的近场方法计算阻力,计算精度较低、误差较大并且不能给出各阻力分量值的缺点,将基于动量定理的远场方法用于飞机的阻力估算,采用远场法将阻力分解为:粘性阻力,激波阻力,诱导阻力,并对各个分量分别进行了求解,将计算结果与近场法以及风洞实验值做了比较.以DLR-F4翼身组合体为考核算例,对所述方法进行了验证,结果显示远场法的计算结果与风洞实验值吻合的很好.     

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.     

瞬态热传导问题的无网格法快速求解算法研究

为了提高基于Galerkin弱积分形式的无网格方法求解瞬态热传导问题的计算效率,提出了两种方案:第一种方案在空间离散上采用基于任意凸多边形节点影响域的无网格形函数,并通过选取适当的节点影响半径因子,使背景网格内的积分点仅对该背景网格内的无网格节点有贡献,从而避免了节点搜索问题,减少了系统刚度矩阵的带宽,且当节点影响半径因子为1.01时,无网格方法的形函数近似具有插值特性;第二种方案在求解线性方程组时,引入质量矩阵集中技术,从而避免了系统方程组的求解.二维矩形区域、二维圆形区域的瞬态热传导数值算例结果表明:在保证计算精度的同时,采用任意多边形节点影响域的无网格方法比传统无网格方法的计算时间至少节省44.09%,采用质量矩阵集中技术的无网格方法比传统无网格方法的计算时间至少节省76.15%,且当节点影响半径因子为1.01时,其本质边界条件的施加和有限元方法一样简单;由于采用质量矩阵集中技术的无网格方法比采用任意多边形节点影响域的无网格方法精度较低,因此如仅从计算效率考虑,对精度要求不是很高(误差在5%以内),建议采用质量矩阵集中技术,如同时考虑计算精度和效率,建议采用多边形节点影响域的技术.     

FV/MC混合算法求解轴对称钝体后湍流流场

介绍一种有限容积／Monte Carlo结合求解湍流流场的相容的混合算法．有限容积法求解Reynolds平均的动量方程和能量方程，Monte Carlo方法求解模化的脉动速度—频率—标量联合的PDF方程．将该算法发展到无结构网格，探讨了在无结构网格中实现两种方法的耦合，包括颗粒定位，颗粒场和平均场之间数据交换等问题．并以二维轴对称钝体后湍流流场作为算例，比较了计算结果与实验结果．     

三维非均匀不稳定渗流方程的二维不均匀粗化算法

在无源汇条件下,根据流过某一个横截面的流体流量等于流过这一横截面内所有精细网格的流体流量之和这一特点提出了粗化网格等效渗透率的计算方法。在粗化区内,利用直接解法求解二维渗流方程,再用这些解合成粗化网格的三维合成解,并由合成解计算粗化网格的等效渗透率。根据精度的要求采用了不均匀网格粗化,在流体流速大的区域采用精细网格。利用所得等效渗透率计算了粗化网格的某三维非均匀不稳定渗流场的压降解,结果表明三维非均匀不稳定渗流方程的二维不均匀粗化解非常逼近采用精细网格的解,但计算的速度比采用精细网格提高了80倍。     

谱元法和高阶时间分裂法求解方腔顶盖驱动流

详细推导了谱元方法的具体计算公式和时间分裂法的具体计算过程 ;对一般的时间分裂法进行了改进 ,即对非线性步分别用 3阶 Adams-Bashforth方法和 4阶显式 Runge-Kutta法 ,粘性步采用 3阶隐式 Adams-Moulton形式 ,提高了时间方向的离散精度 ,同时还改进了压力边界条件 ,采用 3阶的压力边界条件 ;利用改进的时间分裂方法分解不可压缩 Navier-Stokes方程 ,并结合谱元法计算了移动顶盖方腔驱动流 ,提高了方法可以计算的 Re数 ,缩短了达到收敛的时间 ,并将结果与基准解进行比较 ;分析了移动顶盖方腔驱动流中 Re数对流场分布的影响。     

一种简单的局部离散速度统一气体动理论格式

统一气体动理论格式UGKS(Unified Gas-Kinetic Scheme)是一种适用于从连续流到自由分子流的全流域计算格式。在该格式中一般使用统一的离散速度空间。而在高速流动中,不同节点的分布函数往往差异很大。为了保证计算的精度,离散速度空间必须满足所有节点的需要,占用了大量的内存。采用局部的均匀离散速度空间,离散速度的范围随节点状态的变化而变化,从而降低了内存的需要,并通过引入背景网格避免了不同节点离散速度的插值。最后,通过两个一维算例对该方法进行了测试。测试结果显示,采用局部离散速度空间能够得到可靠的结果,并且在模拟高速流动时计算效率明显提高。     

质点积分守恒重映方法

针对大变形流体动力学数值计算中经常需要应用的网格重构与物理量重映技术,提出了一种逻辑简单的质点积分守恒重映方法。将旧网格细分为众多有体积的质点,并将旧网格的物理量分配到各个质点,新网格各守恒量的积分直接由落在新网格内的所有质点的物理量累加。建立了收敛速度极快的计算格式,采用的控制体很好地解决了速度的重映计算问题。分析了此守恒重映方法的收敛性与守恒性,研究了积分控制体对速度计算的影响。     

用平均速度剖面法测量壁湍流摩擦阻力

用IFA300恒温热线风速仪精细测量风洞中不同雷诺数流动条件下的平板湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面．利用平板湍流边界层近壁区域的对数律平均速度剖面与壁面摩擦速度、流体黏性系数等内尺度物理量的关系和壁面摩擦速度与壁面摩擦切应力的关系,在准确测量平板湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面的基础上,测量平板湍流边界层的壁面摩擦阻力．实现了平板湍流边界层壁面摩擦阻力的无干扰或微小干扰测量．该种方法操作简便,不需要在流场中安装测力天平、传感器等复杂的测量装置,不需要对湍流边界层的壁面进行破坏,不会影响湍流边界层壁面附近区域原有的流场条件,是一种切实可行的测量平板湍流边界层壁面摩擦阻力的简便方法．     

Selection of a staggered grid for inertia‐gravity waves in shallow water

The problem of accuracy in propagating inertia‐gravity waves on Arakawa grids is investigated. It is shown that the sole analysis of spatial discretization and the recommendation of the B‐grid for coarse resolution models and C‐grid for high resolution models must be re‐analysed when time discretization is taken into account as well. For a chosen time discretization, a coarse C‐grid is shown for example, to increase precision when using larger time‐steps (up to the stability limit) whereas the precision of the B‐grid decreases. Here, an analysis of error for different grids in function of the space–time resolutions and computational costs is presented and some recommendations on the choice of the particular staggered grid for a given application are outlined. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

Impact of the fourth‐order compact difference scheme on computational properties of 3D grids in a nonhydrostatic model

To investigate the potential of the fourth‐order compact difference scheme within the specific context of numerical atmospheric models, a linear baroclinic adjustment system is discretized, using a variety of candidates for practically meaningful staggered 3D grids. A unified method is introduced to derive the dispersion relationship of the baroclinic geostrophic adjustment process. Eight popular 3D grids are obtained by combining contemporary horizontal staggered grids, such as the Arakawa C and Eliassen grids, with optimal vertical grids, such as the Lorenz and Charney‐Phillip (CP) grids, and their time‐staggered versions. The errors produced on the 3D grids in describing the baroclinic geostrophic adjustment process relative to the differential case are compared in terms of frequency and group velocity components with the elimination of implementation error. The results show that by utilizing the fourth‐order compact difference scheme with high precision, instead of the conventional second‐order centered difference scheme, the errors in describing baroclinic geostrophic adjustment process decrease but only when using the combinations of the horizontally staggered Arakawa C grid and the vertically staggered CP or the C/CP grid, the time‐horizontally staggered Eliassen (EL) grid and vertically staggered CP or the EL/CP grid, the C grid and the vertically time‐staggered versions of Lorenz (LTS) grid or C/LTS grid, EL grid and LTS grid or EL/LTS grid. The errors were found to increase for specific waves on the rest grids. It can be concluded that errors produced on the chosen 3D grids do not universally decrease when using the fourth‐order compact difference scheme; hence, care should be taken when implementing the fourth‐order compact difference scheme, otherwise, the expected benefits may be offset by increased errors. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

Finite-Difference Approximation for Fluid-Flow Simulation and Calculation of Permeability in Porous Media

We introduce a finite-difference method to simulate pore scale steady-state creeping fluid flow in porous media. First, a geometrical approximation is invoked to describe the interstitial space of grid-based images of porous media. Subsequently, a generalized Laplace equation is derived and solved to calculate fluid pressure and velocity distributions in the interstitial space domain. We use a previously validated lattice-Boltzmann method (LBM) as ground truth for modeling comparison purposes. Our method requires on average 17 % of the CPU time used by LBM to calculate permeability in the same pore-scale distributions. After grid refinement, calculations of permeability performed from velocity distributions converge with both methods, and our modeling results differ within 6 % from those yielded by LBM. However, without grid refinement, permeability calculations differ within 20 % from those yielded by LBM for the case of high-porosity rocks and by as much as 100 % in low-porosity and highly tortuous porous media. We confirm that grid refinement is essential to secure reliable results when modeling fluid flow in porous media. Without grid refinement, permeability results obtained with our modeling method are closer to converged results than those yielded by LBM in low-porosity and highly tortuous media. However, the accuracy of the presented model decreases in pores with elongated cross sections.     

Numerical simulation of axisymmetric unsteady incompressible flow by a vorticity-velocity method

A new numerical method for solving the axisymmetric unsteady incompressible Navier-Stokes equations using vorticity-velocity variables and a staggered grid is presented. The solution is advanced in time with an explicit two-stage Runge-Kutta method. At each stage a vector Poisson equation for velocity is solved. Some important aspects of staggering of the variable location, divergence-free correction to the velocity field by means of a suitably chosen scalar potential and numerical treatment of the vorticity boundary condition are examined. The axisymmetric spherical Couette flow between two concentric differentially rotating spheres is computed as an initial value problem. Comparison of the computational results using a staggered grid with those using a non-staggered grid shows that the staggered grid is superior to the non-staggered grid. The computed scenario of the transition from zero-vortex to two-vortex flow at moderate Reynolds number agrees with that simulated using a pseudospectral method, thus validating the temporal accuracy of our method.