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.      

基于Newton/Gauss-Seidel迭代的DGM隐式方法

在Newton迭代方法的基础上,对高阶精度间断Galerkin有限元方法(DGM)的时间隐式格式进行了研究. Newton迭代 法的优势在于收敛效率高效,并且定常和非定常问题能够统一处理,对于非定常问题无需引入双时间步策略. 为了避免大型矩阵的求逆,采用一步Gauss-Seidel迭代和Matrix-free技术消去残值Jacobi矩阵的上、下三角矩阵,从而只需计算和存储对角(块)矩阵. 对角(块)矩阵采用数值方法计算. 空间离散采用Taylor基,其优势在于对于任意形状的网格,基函数的形式是一致的,有利于在混合网格上推广. 利用该方法,数值模拟了Bump绕流和NACA0012翼型绕流. 计算结果表明,与显式的Runge-Kutta时间格式相比,隐式格式所需的迭代步数和CPU时间均在很大程度上得到减少,计算效率能够提高1～ 2个量级.     

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.      

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.     

动态混合网格生成及隐式非定常计算方法

建立了一种基于动态混合网格的非定常数值计算方法. 混合网格由贴体的四边形网格、外场 的多层次矩形网格和中间的三角形网格构成. 当物体运动时，贴体四边形网格随物体运动而 运动，而外场的矩形网格保持静止，中间的三角形网格随之变形；当物体运动位移较大，导 致三角形网格的质量降低，甚至导致网格相交时，在局部重新生成网格. 新网格上的物理量 由旧网格上的物理量插值而得. 为了提高计算效率，采用了双时间步和子迭代相结合的隐式 有限体积格式计算非定常Navier-Stokes方程. 子迭代采用高效的块LU-SGS方法. 利用该 方法数值模拟了NACA0012振荡翼型的无黏和黏性绕流，得到了与实验和他人计算相当一致 的结果.     

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。     

基于动态混合网格的不可压非定常流计算方法

鱼类、昆虫等运动速度较低,对它们的数值模拟需要解决不可压问题.虚拟压缩方法通过在连续性方程中加入压强对虚拟时间的偏导数,从而把压力场和速度场耦合起来,解决了不可压缩流的计算问题.基于动态混合网格技术,利用双时间步方法耦合虚拟压缩方法来解决非定常不可压缩流的计算问题.为了加快每一虚拟时间步内的收敛速度,子迭代采用了高效的块LU-SGS方法,并且耦合了基于混合网格的多重网格方法.利用该方法数值模拟了不同雷诺数下的静止圆柱、振荡圆柱的绕流,得到了与实验和他人计算一致的结果.     

动网格生成技术及非定常计算方法进展综述

对应用于飞行器非定常运动的数值计算方法(包括动态网格技术和相应的数值离散格式)进行了综述.根据网格拓扑结构的不同,重点论述了基于结构网格的非定常计算方法和基于非结构/混合网格的非定常计算方法,比较了各种方法的优缺点.在基于结构网格的非定常计算方法中,重点介绍了刚性运动网格技术、超限插值动态网格技术、重叠动网格技术、滑移动网格技术等动态结构网格生成方法,同时介绍了惯性系和非惯性系下的控制方程,讨论了非定常时间离散方法、动网格计算的几何守恒律等问题.在基于非结构/混合网格的非定常计算方法中,重点介绍了重叠非结构动网格技术、重构非结构动网格技术、变形非结构动网格技术以及变形/重构耦合动态混合网格技术等方法,以及相应的计算格式,包括非定常时间离散、几何守恒律计算方法、可压缩和不可压缩非定常流动的计算方法、各种加速收敛技术等.在介绍国内外进展的同时,介绍了作者在动态混合网格生成技术和相应的非定常方法方面的研究与应用工作.     

Navier-Stokes方程间断Galerkin有限元方法研究

通过引入全局提升算子和局部提升算子,发展了求解Navier-Stokes方程的间断Galerkin(discontinuousGalerkin,DG)有限元方法的一般框架,并在此框架下给出了几种典型黏性离散格式的具体表达形式.对局部提升算子的求解给出了详细的计算步骤.同时还给出了一种简单有效的计算方法来对物面边界进行高阶近似.为了能够对NS方程进行精度测试,采用对原始系统添加源项的方法构造精确解.二维Euler和NS系统的精度测试表明该方法达到了DG方法的理论精度.二维圆柱无黏绕流的计算结果表明关于物面边界的高阶近似方法能够保持DG方法原有的精度.卡门涡街数值模拟则进一步验证了该方法的正确性并且显示出DG方法较高的计算精度和分辨率.     

粘性流基于特征线的四阶Runge-Kutta有限元法

对于二维不可压缩粘性流,通过沿流线方向的坐标变换,推导了无对流项的二维N-S(Navier-Stokes)方程。采用四阶Runge-Kutta法对N-S方程进行时间离散,并沿流线进行Taylor展开,得到显式的时间离散格式,然后利用Galerkin法对其进行空间离散,得到了高精度的有限元算法。利用本文算法对方腔驱动流和圆柱绕流进行了数值计算,通过对时间步长、网格尺寸和流场区域的计算分析,进一步验证了本文算法相比经典CBS法在时间步长、收敛性、耗散性和计算精度方面更具有优势。     

基于混合网格多维梯度重构的热流预测方法研究

高超声速气动热环境的数值计算对算法和网格的敏感度极高.随着高超声速飞行器外形日益复杂,生成高质量的结构网格时间成本呈指数增加,难以满足工程应用的需求.非结构/混合网格因具有很强的复杂外形适应能力,为了缩短任务周期,有必要在非结构/混合网格上开展高精度的气动热环境数值计算方法研究.梯度重构方法是影响非结构/混合网格热流计算精度的重要因素之一.本文通过引入多维梯度重构方法,发展了基于常规的非结构/混合网格的高精度热流计算方法,对典型的高超声速Benchmark算例(二维圆柱)进行了模拟,并与气动力计算广泛采用的Green-Gauss类方法和最小二乘类方法进行了对比.计算结果表明,多维梯度重构方法能有效提高非结构/混合网格热流预测精度,其鲁棒性和收敛性更好.最后将多维梯度重构方法应用于常规混合网格的三维圆柱和三维双椭球绕流问题,得到了与实验值吻合较好的热流计算结果,展现了良好的应用前景.     

基于混合网格多维梯度重构的热流预测方法研究

高超声速气动热环境的数值计算对算法和网格的敏感度极高. 随着高超声速飞行器外形日益复杂, 生成高质量的结构网格时间成本呈指数增加, 难以满足工程应用的需求. 非结构/混合网格因具有很强的复杂外形适应能力, 为了缩短任务周期, 有必要在非结构/混合网格上开展高精度的气动热环境数值计算方法研究. 梯度重构方法是影响非结构/混合网格热流计算精度的重要因素之一. 本文通过引入多维梯度重构方法, 发展了基于常规的非结构/混合网格的高精度热流计算方法, 对典型的高超声速Benchmark算例(二维圆柱)进行了模拟, 并与气动力计算广泛采用的Green-Gauss类方法和最小二乘类方法进行了对比. 计算结果表明, 多维梯度重构方法能有效提高非结构/混合网格热流预测精度, 其鲁棒性和收敛性更好. 最后将多维梯度重构方法应用于常规混合网格的三维圆柱和三维双椭球绕流问题, 得到了与实验值吻合较好的热流计算结果, 展现了良好的应用前景.      

粘性流基于特征线的四阶Runge-Kutta有限元法

对于二维不可压缩粘性流，通过沿流线方向的坐标变换，推导了无对流项的二维N-S（Navier-Stokes）方程。采用四阶Runge-Kutta法对N-S方程进行时间离散，并沿流线进行Taylor展开，得到显式的时间离散格式，然后利用Galerkin法对其进行空间离散，得到了高精度的有限元算法。利用本文算法对方腔驱动流和圆柱绕流进行了数值计算，通过对时间步长、网格尺寸和流场区域的计算分析，进一步验证了本文算法相比经典CBS法在时间步长、收敛性、耗散性和计算精度方面更具有优势。     

AN APPROXIMATE MODEL OF UNSTEADY AERODYNAMICS FOR HYPERSONIC PROBLEMS AT HIGH ALTITUDE

针对高空高马赫数飞行环境和强黏性干扰的物理特性, 在当地流活塞理论的基础上引入有效外形修正, 发展了黏性修正当地流活塞理论, 结合定常N-S方程解给出了高空高马赫数下针对该方法的有效外形的判据, 并通过数值算例对该判据进行了验证.通过对典型尖头薄翼和典型钝头翼的一系列二维非定常算例, 将该方法与一阶活塞理论、基于欧拉(Euler)方程的当地流活塞理论和非定常N-S方程数值解进行了对比. 结果显示在高度为40~70 km、马赫数为10~20范围内, 通过该方法计算得到的非定常气动力与非定常N-S方程数值解吻合较好, 明显优于活塞理论和基于Euler方程的当地流活塞理论.该方法克服了传统的活塞理论和当地流活塞理论不能用于高空高马赫数这类强黏性效应情况的弊端, 在较宽的马赫数、攻角、飞行高度范围内都有良好的适用性, 同时其计算效率远高于非定常N-S方程.     

非定常不可压N-S方程的最小二乘算子分裂有限元法数值求解

采用最小二乘算子分裂有限元法求解非定常不可压N-S(Navier-Stokes)方程,即在每个时间层上采用算子分裂法将N-S方程分裂成扩散项和对流项,这样既能考虑对流占优特点又能顾及方程的扩散性质。扩散项是一个抛物型方程,时间离散采用向后差分格式,空间离散采用标准Galerkin有限元法。对流项的时间项采用后向差分格式,非线性部分用牛顿法进行线性化处理,再用最小二乘有限元法进行空间离散,得到对称正定的代数方程组系数矩阵。采用Re=1000的方腔流对该算法的有效性进行检验,表明其具有较高的精度,能够很好地捕捉流场中的涡结构。同时,对圆柱层流绕流进行了数值研究,通过流线图、压力场、阻力系数、升力系数及斯特劳哈数等结果的分析与对比,表明本文算法对于模拟圆柱层流绕流是准确和可靠的。     

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.     

均匀来流中旋转圆柱黏性绕流的数值研究

从不可压非定常Ｎ－Ｓ方程出发，首次数值求解了均匀来流中圆柱作周向旋转振荡的黏性绕流问题。探讨了旋转角速度振幅、振荡频率及Ｒｅ数等因素对流场结构及其非定常演化过程的影响，并根据计算结果，给出了在旋转振动频率。速度振幅平面内流场涡结构的分区图。     

均匀来流中旋转圆柱黏性绕流的数值研究

从不可压非定常Ｎ－Ｓ方程出发，首次数值求解了均匀来流中圆柱作周向旋转振荡的黏性绕流问题。探讨了旋转角速度振幅、振荡频率及Ｒｅ数等因素对流场结构及其非定常演化过程的影响，并根据计算结果，给出了在旋转振动频率。速度振幅平面内流场涡结构的分区图。     

基于非结构化同位网格的SIMPLE算法

通过基于非结构化网格的有限体积法对二维稳态Navier—Stokes方程进行了数值求解。其中对流项采用延迟修正的二阶格式进行离散；扩散项的离散采用二阶中心差分格式；对于压力-速度耦合利用SIMPLE算法进行处理；计算节点的布置采用同位网格技术，界面流速通过动量插值确定。本文对方腔驱动流、倾斜腔驱动流和圆柱外部绕流问题进行了计算，讨论了非结构化同位网格有限体积法在实现SIMPLE算法时，迭代次数与欠松弛系数的关系、不同网格情况的收敛性、同结构化网格的对比以及流场尾迹结构。通过和以往结果比较可知，本文的方法是准确和可信的。     

分块法研究圆柱绕流升阻力

 使用新的分块耦合方法，分别对单圆柱和串列双圆柱绕流进行了数值 模拟. 对于单圆柱绕流，低$Re$下计算所得到的定常涡尺寸与实验非常接近. 对于 串列双圆柱绕流，研究分析了改变双圆柱中心间距对上下游圆柱的升阻力系数和脉动频率所 产生的影响，计算结果与实验非常吻合，为进一步研究涡致振动提供了依据.