一维含化学反应流体力学方程组的ALE间断有限元方法

研究一维含化学反应流体力学方程组的数值模拟方法.结合理想气体状态方程并利用HLLC解法器在各个单元边界处的数值通量，给出ALE间断有限元方法.高阶计算时，使用TVD斜率限制器对数值解可能产生的非物理振荡进行抑制.结果表明：该算法能够保持物理量的守恒性和高精度，并能够清晰地捕捉爆轰波的结构特征.     

一种基于HLLC算法的Mie-Grüneisen多介质混合模型

建立一种修正的HLLC （Harten-Lax-Van Leer-Contact）格式下稳定的Mie-Grüneisen多介质混合计算模型.Mie-Grüneisen混合模型中的通量包括守恒和非守恒两个部分，原始的HLLC格式对守恒部分适用，但是原始的HLLC格式直接用于非守恒部分，很难控制住数值振荡的产生.在原始格式中，间断面的移动速度为间断网格的左侧或右侧速度，修正后替换为网格中的平均速度，经过修正后，对HLLC格式重新进行推导，并随之扩展到二维问题.数值实验表明，利用修改后的HLLC格式，Mie-Grüneisen混合模型可以取得较好的稳定性和准确性.     

含强间断导热系数的三维扩散方程数值计算

针对惯性约束聚变领域需要求解的含强间断导热系数的扩散方程,借鉴各向异性导热的思想,给出了一种导热系数定义在网格节点的支撑算子改进格式。改进后的方法保留了支撑算子格式的算子相容性优点。数值算例表明,新方法可以很好地处理含强间断和强非线性的热扩散问题,计算结果保持较高的精度,适合于辐射流体力学问题的模拟。     

统一坐标系下二维气动方程组的Runge-Kutta间断Galerkin有限元方法

构造了统一坐标系下二维可压缩气动方程组的Runge-Kutta 间断Galerkin(RKDG)有限元格式. 文中将流体力学方程组和几何守恒律统一求解, 所有计算都在固定的网格上进行, 在计算过程中不需要网格节点的速度信息. 文中对几个数值算例进行了数值模拟, 得到了较好的数值模拟结果.     

守恒无伪解麦克斯韦方程间断元研究:(Ⅰ)一维和二维情况

考察了电、磁场分量分别基于不同近似函数空间展开的一维和二维Maxwell方程间断元求解方法。结合中心数值通量和电、磁场分量近似函数空间的不同组合,构造了各种间断元算子。通过用这些算子在规则和不规则网格上编码分析一维和二维金属腔的谐振模式,详细考察了算子的收敛和伪解支持性,并据此对基函数进行了优选。算子在时域和频域对谐振模式的计算结果彼此符合良好。优选的Maxwell方程间断元算子不仅同时具备能量守恒和免于伪解的特性,且无需引入辅助变量,为设计高品质Maxwell方程间断元算法和研发相关电磁场模拟软件提供了支撑。     

流体力学方程的间断有限元方法

在二维区域三角形网格上应用一阶、二阶和三阶精度间断有限元方法,对流体力学方程和方程组进行了数值模拟.计算结果与差分方法计算结果比较,认为间断有限元方法在求解复杂边界条件和区域问题上有一定的优势.     

一类基于RBF插值的守恒重映算法

为保证重映过程的高守恒精度和单调性,并且在间断处具有极高的分辨率,基于径向基函数(RBF)插值方法构造了一类适用于任意网格的RBF守恒重映算法,通过计算守恒误差测试重映算法的守恒精度。将该方法用于光滑函数和含有间断的函数,并与其它守恒重映方法比较,表明该方法数值结果较好。     

双等离子体团相互作用的磁流体力学模拟

利用商用磁流体力学模拟程序USIM对双等离子体团相互作用过程进行了数值模拟,分别考察和比较了双对流等离子体团在外加磁场和无外加磁场情况下,相互作用的物理过程.发现在外加磁场情况下等离子体团相互作用会伴随着磁重联(反向磁场)、磁排斥(同向磁场)以及一些不稳定过程.针对激光产生等离子体团错位相互作用实验,进行了标度模拟,发现外加磁场起着重要作用,进一步表明激光等离子体的磁化特征.研究结果为下一步在神光Ⅱ激光装置进行强磁环境下等离子体实验提供理论指导.     

解流体力学方程组的一种隐式完全守恒差分格式

对Lagrange非守恒流体力学方程组给出了一种隐式完全守恒差分格式,既保证了质量、动量和总能量守恒的差分近似,又能满足内能与动能的平衡特性,提高了数值解的精度。并用该格式对两个可压缩理想流体模型进行了数值计算,并与其它差分格式作了比较。     

高磁雷诺数下剪切流对双撕裂模中二级磁岛的影响

在高磁雷诺数下,当双撕裂模发展进入快速磁场重联阶段时,会发生二级磁岛不稳定性,加剧磁场能量的释放。本文基于扰动形式的守恒磁流体方程组发展高精度的数值模拟程序,在平板位形下研究反对称位形剪切流对双撕裂模中二级磁岛的影响。结果表明：随着剪切流强度和剪切梯度的增加,二级磁岛的数目以及电流片横纵比变小。此外,较强的极向剪切流能够抑制二级磁岛不稳定性的发生。     

基于OpenFOAM的投影法磁流体求解器开发与验证

在开源计算流体力学C++工具包OpenFOAM环境下开发了低磁雷诺数条件下的磁流体求解器,并进行了验证。采用投影算法求解动量方程和压力泊松方程;采用非结构网格同位相容守恒算法求解电势泊松方程、感应电流和洛伦兹力;采用边界耦合方法求解流固耦合电势场。通过对均匀磁场下导电方管和导电圆管内的完全发展磁流体层流的数值模拟和解析解的对比,对求解器进行了验证。进一步对非均匀强磁场作用下导电方管和导电圆管内完全发展磁流体层流进行了数值模拟,并与ALEX实验结果进行了比较。数值解和实验结果吻合良好。所开发的求解器可用于复杂结构强磁场作用下磁流体的数值模拟研究。     

Plasma heating by discontinuous MHD flows in the vicinity of a magnetic reconnection region

An expression that explicitly describes variations in the internal energy of the plasma that flows through a discontinuity is derived based on the complete system of boundary conditions for the MHD equations on the discontinuity surface. The dependence of the plasma heating on the magnetic field density and configuration in the vicinity of the discontinuity surface (i.e., on the MHD flow type) is studied. The conditions of plasma heating at discontinuities in a self-consistent analytical model of magnetic reconnection are discussed.     

一种基于AUSM分裂的真正多维HLL格式

文章给出了一种真正多维的HLL Riemann解算器.采用AUSM分裂将通量分解成为对流通量和压力通量, 其中对流通量的计算采用迎风格式, 压力通量的计算采用HLL格式, 且将HLL格式的耗散项中的密度差用压力差代替, 从而使得格式能够分辨接触间断.为了实现数值格式真正多维的特性, 分别计算了网格界面中点和角点上的数值通量, 并且采用Simpson公式加权组合中点和角点上的数值通量得到网格界面的数值通量.为了减少重构角点处状态时的模板宽度, 计算中采用基于SDWLS梯度的线性重构获得2阶空间精度, 而时间离散采用2阶保强稳Runge-Kutta方法.数值实验表明, 相比于传统的一维HLL格式, 文章的真正多维HLL格式具有能够分辨接触间断, 以及更大的时间步长等优点.与其他能够分辨接触间断的格式(例如HLLC格式)不同, 真正多维的HLL格式在计算二维问题时不会出现激波不稳定现象.      

Magnetic discontinuities in magnetohydrodynamic turbulence and in the solar wind

Recent measurements of solar wind turbulence report the presence of intermittent, exponentially distributed angular discontinuities in the magnetic field. In this Letter, we study whether such discontinuities can be produced by magnetohydrodynamic (MHD) turbulence. We detect the discontinuities by measuring the fluctuations of the magnetic field direction, Δθ, across fixed spatial increments Δx in direct numerical simulations of MHD turbulence with an imposed uniform guide field B(0). A large region of the probability density function (pdf) for Δθ is found to follow an exponential decay, proportional to exp(-Δθ/θ(*)), with characteristic angle θ(*)≈(14°)(b(rms)/B(0))(0.65) for a broad range of guide-field strengths. We find that discontinuities observed in the solar wind can be reproduced by MHD turbulence with reasonable ratios of b(rms)/B(0). We also observe an excess of small angular discontinuities when Δx becomes small, possibly indicating an increasing statistical significance of dissipation-scale structures. The structure of the pdf in this case closely resembles the two-population pdf seen in the solar wind. We thus propose that strong discontinuities are associated with inertial-range MHD turbulence, while weak discontinuities emerge from dissipation-range turbulence. In addition, we find that the structure functions of the magnetic field direction exhibit anomalous scaling exponents, which indicates the existence of intermittent structures.     

具有电子旋转方向的旋转间断的稳定性

用一维混合粒子编码研究了具有电子旋转方向的对称和非对称旋转间断的稳定性。发现在相对窄的过渡层厚度下,具有电子旋转方向的旋转间断是不稳定的,它趋向于发展成离子旋转方向的旋转间断和一些MHD波。这个发展过程部分地受到电子温度的限制。当过渡层厚度增加到足够宽时,电子旋转方向的旋转间断变成稳定的。本文简单地讨论了导致这种旋转间断不稳定的可能原因。     

可压缩Kelvin-Helmholtz不稳定性低耗散锐界面方法直接模拟

采用低耗散WENO(weighted essential non-oscillatory)格式及锐界面方法模拟可压缩Kelvin-Helmholtz不稳定性问题.由于物质界面被描述成一种接触间断, 该方法可精确求解切向速度间断.基于优化模板对原始光滑指标进行正规化后, 得到一种低耗散WENO格式.修正后的方法显著降低了普通流动区域的过衰减问题, 保持了良好的激波捕捉性能, 并可获得与混合格式相当的求解精度.不同于以往求解单一流体或易混界面时, 通过初始设定有限宽度的剪切层或快速数值耗散以抑制高波数模态, 该方法允许高波数扰动的发展.计算结果表明, 高波数扰动展现出与以往理想Kelvin-Helmholtz不稳定性问题数值模拟或线化理论结果不同的特征, 但与有限厚度的剪切层结果相符.      

数值模拟磁场作用下气泡在导电流体中运动

在自适应网格上,采用VOF方法捕捉界面,相容守恒格式计算电流及电磁力,发展了金属流体自由界面MHD数值方法。通过数值模拟磁场作用下不同Hartmann数的气泡在导电溶液中的运动和变形,分析磁场对气泡以及流场的影响,同时给出诱导电场和电流的分布。为进一步深入研究冶金及热核聚变相关的金属流体在强磁场作用下的自由界面流打下基础。     

基于CFD/CSD的舵面控制气动弹性数值模拟方法

在动态网格上通过耦合求解流动控制方程和结构动力学方程, 发展了一种舵面控制下飞行器运动响应过程中气动弹性数值模拟研究方法.流动控制方程采用N-S方程, 结构动力学采用线性模态叠加方法, 其中流动控制方程空间离散采用基于非结构网格的有限体积方法, 对流通量采用计算HLLC格式, 非定常时间离散采用基于LU-SGS的双时间步长方法.模拟中, 气动运动和结构变形在双时间步长方法推进过程中采用改进松耦合方法, 气动网格与结构网格之间信息交换采用无限平板样条法实现, 飞行器的运动和变形采用基于重叠网格和Delaunay图映射变形网格相结合的方法进行处理.采用多个考核算例对发展的数值方法进行考核验证, 结果表明该方法可以高效精确模拟舵面开环控制下飞行器运动响应过程中的气动弹性特性.      

磁流体管流的直接数值模拟研究

在开源的CFD 工具包OpenFOAM 环境下开发了基于低磁雷诺数的磁流体湍流数值模拟求解器,对 2π ×1×1的方管中无磁场湍流和磁流体湍流进行直接数值模拟研究,给出了截面瞬时速度、平均速度的分布,截面对称中心线上的脉动速度的均方根值、湍动能的分布。计算结果表明,外加磁场对磁流体湍流具有抑制作用和并且这种抑制作用具有各向异性。