一种非结构/结构多层混合网格方法及其应用

对于粘性绕流的数值模拟,在自适应直角网格基础上,结合三角形非结构网格和结构化网格,利用其各自的优势和特点,提出一种生成混合杂交网格的思路和方法.在物面附近生成适合粘性流计算的大长宽比结构化网格,在远场分布自适应直角网格,快速离散计算空间.对于复杂的多体问题,采用三角形网格来连接各体网格,并运用网格合并的方法,保证各网格之间的光滑过渡与连接,提高网格质量.针对一些二维、三维外形的绕流问题,在上述网格基础上,采用B-L代数湍流模型和中心有限体积法,完成Navier-Stokes和Euler方程数值模拟的对比计算,结果表明网格生成和流场计算是正确的.     

三维非结构粘性网格生成方法

描述了一套适合粘性流动计算的三维非结构网格自动生成方法.在物面附近的粘性作用区域,采用推进层方法生成各向异性的"扁平"四面体网格,并通过一定的网格伸长控制参数,实现整个流场区域网格高度的平滑过渡.当粘性网格的推进高度达到预定要求时,推进层方法自动停止,转而采用阵面推进方法生成常规意义的尽量接近正四面体的各向同性网格.同时给出了利用该方法生成的M6机翼非结构粘性网格来求解机翼粘性绕流的简单算例.     

多段翼型粘性绕流多块网格数值模拟

采用多块结构网格和分区求解技术对多段翼型绕流进行雷诺平均NS方程数值模拟,并将计算的压力分布与实验进行了比较.     

一种隐式预处理方法及其在定常和非定常流动数值模拟中的应用

将Choi-Merkle矩阵预处理方法与LU-SGS隐式方法、双时间法以及多重网格方法结合,发展适用于绕飞行器定常和非定常粘性流动的高效隐式预处理计算方法和程序.介绍一种针对定常和非定常流动的LU-SGS隐式预处理方法的统一表述方法.在不改变流动解的前提下,对Navier-Stokes方程的伪时间导数项实施Choi-Merkle矩阵预处理,从而改善可压缩控制方程在低速情况下的系统刚性,使基于LU-SGS时间推进格式的数值模拟方法同时适用于从极低马赫数到可压缩范围内的数值模拟.对Jameson中心格式的人工粘性进行相应的修改,以提高低速流动的计算精度.翼型、机翼以及翼身组合体绕流的数值模拟研究表明,隐式预处理方法获得了很高的计算效率,可使马赫数0.1左右的低速流动计算时间减少50%以上;通过对现有可压缩计算程序进行小量改动,便可使其均匀覆盖整个低速流动范围,提高CFD程序在飞行器绕流数值模拟中的实用性.     

多块网格技术及其在操纵面绕流计算中的应用

采用中心有限体积法求解Navier Stokes方程组,利用点对点搭接及面搭接多块网格技术成功地进行了多段翼型和存在外形间断(剪刀差)的带操纵面三维机翼的网格生成及粘性绕流流场数值计算,使用重叠面积加权插值及Ramshaw算法实现了面搭接的多块网格之间的信息传递并保证了通量守恒,并将流场计算结果与实验数据进行了对比.     

复杂全机外形跨音速绕流欧拉方程数值计算

发展了一种快速抛物型方程贴体及与边界正交网格生成技术。生成了某歼击机全机真实外形三维O-C型计算网格,并应用于跨音速流场欧拉方程数值计算。成功地模拟了绕全机的复杂流场。计算压力分布与实验吻合良好。     

先进双发民用飞机跨音速绕流数值模拟

采用求解椭圆型和抛物型偏微分方程的方法及多块风格技术，生成机翼／机身／短舱／挂架复杂组合体外形的贴体及与边界正交的计算网格。应用有限体积法高效求解欧拉方程，模拟先进双发民用飞机的跨音速绕流，并计入机翼边界的粘性效应，获得存在短舱、挂架干扰的翼身组合体气动特性，计算表明，短舱，挂架对超临界机翼的气动特性有显著的影响，计算与实验模型的机翼表面压力分布（测量值）符合良好。     

Euler及N-S方程的二维四边形/叉树混合网格自适应算法

描述了一种基于直角叉树网格的Euler和N-S方程自适应算法.由于考虑了粘性的作用,提出并使用了四边形叉树混合网格的方法,在几何表面附近生成贴体的四边形网格,外流场使用直角叉树网格.采用中心有限体积法,对Euler及N-S方程进行数值求解,对N-S方程的计算中加入了B-L代数湍流模型.在流场中,运用了网格自适应算法,提高了数值计算对激波、流动分离等特性的捕捉和分辨能力.采用上述方法,数值分析了单段和多段翼型的绕流问题.     

U-RANS/PDF方法的并行计算研究

本文对非结构网格中U-RANS/PDF混合方法的并行计算进行了研究,通过对方柱绕流的数值模拟,讨论了并行程序的有效性和计算效率.非结构网格上U-RANS/PDF混合方法的并行计算,提高了PDF方法的计算效率和处理复杂几何结构的能力,使得PDF方法能够方便地应用于实际燃烧问题.     

一种处理不规则边界的二维切削网格方法

切削网格方法(Cut-cell)是一种处理复杂边界的网格生成方法,本文从切削网格分类、网格合并技术和切削界面相关物理量求解等角度对该方法进行了介绍。最后,将该网格生成技术用于计算小雷诺数下二维圆柱绕流问题,并与实验结果做了比较,验证方法和所开发程序的可靠性。     

复杂外形静动态混合网格生成技术研究新进展

网格生成技术是CFD复杂工程应用的重要环节, 网格质量的好坏直接影响计算结果的精准度, 因此其已成为CFD的重要研究领域.在张涵信院士的指导下, 作者自20世纪90年代初开始开展非结构网格、混合网格技术和相应的计算方法研究, 并逐步发展至动态混合网格技术及非定常计算方法.在张涵信院士80华诞之际, 对近年来作者及团队在网格生成技术及应用方面所取得的进展进行了简要的综述, 分别介绍了静动态混合网格生成、定常/非定常计算方法、网格技术的应用等方面的进展情况.最后, 就网格生成技术目前还存在的问题, 展望了未来的发展方向.作者谨以此文表达对张涵信院士25年来的培养、关怀和帮助的崇高敬意.      

二维网格生成技术及其应用

本文采用解析变换生成二维贴体、正交网格。对变换的精度及对流场解的影响以及如何对网格生成进行控制、形成与流场参数变化相适应的网格分布等问题以NACA0012翼型为例进行了深入地探讨,并成功地应用于欧拉方程数值解。     

水陆两栖飞机静水面高速滑行性能数值计算与试验分析

针对水陆两栖飞机静水面高速滑行过程的运动响应大、流场强非线性等问题，提出了一种基于传统动网格技术的"状态预估——精确计算"的数值模拟方法:通过求解Reynolds平均N-S方程结合运动方程来模拟飞机静水面滑行时的流场特征和运动特性，数值模拟方法为隐式有限体积法，湍流模型采用k-ω（SST Menter）结合壁函数进行处理，自由液面捕捉采用VOF方法；数值计算时，首先采用粗网格对简化后的飞机在不同航速下的姿态和升沉进行快速预估，再将飞机置于预估状态下进行精确网格划分，最后进行精确数值计算分析.为了验证数值模拟结果的正确性，在物理水池中进行了静水拖曳试验，将数值计算结果与试验结果进行对比分析可得:数值计算与水池试验的流场特征吻合，且阻力、姿态和升沉的计算精度达到90%，验证了数值模拟方法的可行性.      

交互式网格生成技术研究

探讨了分区网格生成的交互方法,包括交互输入、图形显示、网格质量检查、网格求解过程的随机可视控制等问题。在此基础上研制了一种具有交互性能的网格生成系统——BIGG。应用该系统生成的网格实例及流场解表明该交互技术是有效可行的,研制的软件系统提高了生成效率和网格质量。     

Structure overset grid method and its applications to simulation of multi-body separation

This paper proposes an automatic structure overset grid method, which utilizes the hole-surface optimization with one-step searching, wall-surface grid oversetting, and dynamic overset grid approaches to achieve the high adaptability of overset grids for complex multi-body aircrafts. Specifically, based on the automatic structure overset grids, the method first solves the coupling of Navier-Stokes(N-S) unsteady flow equation and 6DOF motion equation, and establishes the multi-body collision model. Then, the numerical simulation of unsteady flow for complex aircrafts' multi-body separation, the simulation of multi-body separating trajectory and the separation safety analysis are accomplished. Thus, the method can properly handle practical engineering problems including the wing/drop tank separation, aircraft/mount separation, and cluster bomb projection. Experiments show that our numerical results match well with experimental results, which demonstrates the effectiveness of our methods in solving the multi-body separation problem for aircrafts with complex shapes.     

A new algorithm for reconstructing the three-dimensional flow field of the oceanic mesoscale eddy

A new algorithm for reconstructing the three-dimensional flow field of the oceanic mesoscale eddies is proposed in this paper, based on variational method. Firstly, with the numerical differentiation Tikhonov regularizer, we reconstruct the continuous horizontal flow field on discrete grid points at each layer in the oceanic region, in terms of the horizontal flow field observations. Secondly, benefitting from the variational optimization analysis and its improvement, we reconstruct a three-dimensional flow field under the constraint of the horizontal flow and the vertical flow. The results of simulation experiments validate that the relative error of the new algorithm is lower than that of the finite difference method in the case of high grid resolution, which still holds in the case of unknown observational errors or in the absence of vertical velocity boundary conditions. Finally, using the reanalysis horizontal data sourcing from SODA and the proposed algorithm, we reconstruct three-dimensional flow field structure for the real oceanic mesoscale eddy.     

On the generation and maintenance of waves and turbulence in simulations of free-surface turbulence

One of the challenges in numerical simulation of wave–turbulence interaction is the precise setup and maintenance of wave and turbulence fields. In this paper, we investigate techniques for the generation and suppression of specific surface wave modes, the generation of turbulence in an inhomogeneous physical domain with a wavy boundary-fitted grid, and the generation and maintenance of waves and turbulence during the complex wave–turbulence interaction process. We apply surface pressure to generate and suppress waves. Based on the solution of linearized Cauchy–Poisson problem, we derive three pressure expressions, which lead to a δ-function method, a time-segment method, and a gradual method. Numerical experiments show that these methods generate waves as specified and eliminate spurious waves effectively. The nonlinear wave effect is accounted for with a time-relaxation method. For turbulence generation, we extend the linear forcing method to an inhomogeneous physical domain with a curvilinear computational grid. Effects of force distribution and computational grid distortion are examined. For wave–turbulence interaction, we develop an algorithm to instantaneously identify specific progressive and standing waves. To precisely control the wave amplitude in a complex turbulent flow field, we further develop an energy controlling method. Finally, a simulation example of wave–turbulence interaction is presented. Results show that turbulence has unique features in the presence of waves. Velocity fluctuations are found to be strongly dependent on the wave phase; variations of these fluctuations are explained by the pressure–strain correlation associated with the wave-induced strain field.     

升力系数不变时跨音速机翼阻力优化设计

基于共轭方程的优化设计理论,应用三维欧拉方程进行了升力系数不变时跨音速机翼阻力优化设计研究,根据给定的目标函数推导了在物理空间上表述的共轭方程及边界条件,研究了共轭方程的数值求解方法及目标函数对设计变量的敏感性导数求解问题,发展了一种跨音速机翼阻力优化设计方法,应用该设计方法进行了跨音速机翼阻力优化设计研究,优化后机翼表面的激波强度减弱很多,有效减少了波阻.     

结构型网格分块生成技术

构造了一种适用于模拟具有复杂几何特征的流动问题的结构型网格生成方法,该方法应用CAD技术中非均匀有理B样条(NURBS)曲面表达形式,根据给定物体的典型站位截面,首先对物体进行分片表面网格的构造与重构,同时根据物体几何特征及流场特性对绕流流场进行区域分解并构造其块边界,在此基础上再采用数值方法进行相应的分块网格生成,并给出了应用所建立的方法生成的几种天地往返运输系统流场网格.