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。     

一种健壮的TV通量分裂格式

随着计算流体力学的快速发展，设计精确、高效并且健壮的数值格式变得尤为重要。Toro等^[8]提出的TV通量分裂格式表现出简单、高效和精确分辨接触间断等优点，但是在计算一些多维算例时会出现数值激波不稳定现象。两波近似的HLL格式在计算中非常高效和健壮，但是不能分辨接触间断大大地限制了其应用。本文对TV通量分裂格式进行稳定性分析，据此提出一种混合格式来消除TV格式的数值激波不稳定性。数值试验表明，本文构造的混合格式不仅保留了原始TV格式的优点，而且具有更好的健壮性，在计算二维问题时不会出现数值激波不稳定现象。     

一种健壮的TV通量分裂格式

随着计算流体力学的快速发展,设计精确、高效并且健壮的数值格式变得尤为重要。Toro等~([8])提出的TV通量分裂格式表现出简单、高效和精确分辨接触间断等优点,但是在计算一些多维算例时会出现数值激波不稳定现象。两波近似的HLL格式在计算中非常高效和健壮,但是不能分辨接触间断大大地限制了其应用。本文对TV通量分裂格式进行稳定性分析,据此提出一种混合格式来消除TV格式的数值激波不稳定性。数值试验表明,本文构造的混合格式不仅保留了原始TV格式的优点,而且具有更好的健壮性,在计算二维问题时不会出现数值激波不稳定现象。     

一种新型的高分辨率通量差分裂格式

传统的Roe格式不满足熵条件并且在计算激波问题时会遭遇不同形式的不稳定现象,如慢行激波的波后振荡和红玉(carbuncle)现象.基于Zha-Bilgen对流-压力通量分裂方法,构造一种新型的通量差分裂格式.利用约旦标准型理论,通过添加广义特征向量构造通量差分裂方法来计算对流子系统.压力子系统具有一组完备的线性无关特征向量,因此可以构造传统的通量差分裂格式进行计算.为了提高接触间断的分辨率,利用界面变差下降(BVD)算法来重构对流通量耗散项中的密度差.激波稳定性分析表明,新格式可以有效地衰减数值误差,从而抑制不稳定现象的发生.一系列数值实验证明了本文构造的新型通量差分裂格式比Roe格式具有更高的分辨率和更好的鲁棒性.     

基于WENO重构的真正多维黎曼求解器

具有良好守恒性与网格适应性的有限体积格式在流体力学的数值计算中占有重要地位。其中，求解数值流通量是实施有限体积法的关键步骤。一维情形下，通过求解局部黎曼问题来获得数值流通量的相关理论已经比较成熟。但是在计算多维问题时，传统的维度分裂方法仅考虑沿界面法向传播的信息，这不仅影响格式的精度，还可能会造成数值不稳定性从而诱发非物理现象。本文基于对流-压力通量分裂方法来构造真正多维的黎曼求解器，通过求解网格顶点处的多维黎曼问题来实现格式的多维特性。采用五阶WENO重构方法来获得空间的高阶精度，时间离散采用三阶TVD龙格-库塔格式。一系列数值实验的结果表明，真正多维的黎曼求解器不仅具有更高的分辨率还能有效克服多维强激波模拟中的数值不稳定性。     

一种简单的精确捕捉接触间断的黎曼求解器

基于Godunov型数值格式的有限体积法是求解双曲型守恒律系统的主流方法,其中用来计算界面数值通量的黎曼求解器在很大程度上决定了数值格式在计算中的表现。单波的Rusanov求解器和双波的HLL求解器具有简单、高效和鲁棒性好等优点,但是在捕捉接触间断时耗散太大。全波的HLLC格式能够精确捕捉接触间断,但是在计算中出现的激波不稳定现象限制了其在高马赫数流动问题中的应用。本文利用双曲正切函数和五阶WENO格式来重构界面两侧的密度值,并且结合边界变差下降算法来减小Rusanov格式耗散项中的密度差,从而提高格式对于接触间断的分辨率。研究表明,相比于全波的HLLC求解器,本文构造的黎曼求解器不仅具有更高的接触分辨率,而且还具有更好的激波稳定性。     

一个高分辨率的矢通量分裂—TVD杂交新格式

本文提出了一个新的杂交格式,它将Steger-Warming的矢通量分裂与Harten的TVD格式紧密结合在一起,构造了一个高分辨率的新格式,用于计算跨声速流场和捕获激波。典型的定常跨声速叶栅流算例表明:当Courant数取6～100时,一般在90步内残差的二范数下降三个数量级,这样的收敛率要比Beam-Warming格式快得多;观察残差的收敛历史发现:收敛曲线并无大的波动;分析激波附近的数值结果,没出现“低亏,过跳”、伪振荡现象,叶盆和叶背面上激波前或激波后的参数无波动;在60×15网格下捕获的激波过渡区不超过2个网格,表明了该格式具有较高的分辨率,能在不人为附加耗散项的条件下给出高质量无数值波动的激波流场解。     

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。     

二维时-空守恒格式及其在激波传播计算中的应用

将改进后的一维时－空守恒格式推广到了二维情形,得到了一个新的一般形式的二维Ｅｕｌｅｒ方程时－空守恒格式,并用该格式对几个具有复杂波系的流场进行了数值模拟。结果表明,该格式保留了一维格式通用性好、结构简单的优点,其计算结果精度高,对激波等间断具有很强的分辨率。     

一种三阶有限体积法及其在欠膨胀射流激波结构数值模拟中的应用

以喷管出口欠膨胀射流为研究对象,在Lagrange坐标系下建立欠膨胀射流二维积分形式的流动方程。通过在单元交接面处进行三阶ENO(essentially nonoscillatory)格式插值,构造得到一种适用于求解该方程的三阶ENO有限体积法。采用该格式对一维Sod激波管算例和喷管出口欠膨胀射流进行数值计算。计算结果表明,该方法具有高精度、基本无振荡的特点,能很好地捕捉包含激波、滑移线以及三波交点等复杂流场波系结构。计算得到的波系结构中马赫盘的位置与实验结果吻合很好,相对误差小于1.1%。     

Basic function scheme of polynomial type

A new numerical method named as basic function method is proposed. It can directly discretize differential operators on unstructured grids. By expanding the basic function to approach the exact function, the central and upwind schemes of derivative are constructed. By using the second-order polynomial as a basic function and applying the flux splitting method and the combination of central and upwind schemes to suppress non-physical fluctuation near shock waves, a second-order basic function scheme of polynomial type is proposed to solve inviscid compressible flows numerically. Numerical results of typical examples for two-dimensional inviscid compressible transonic and supersonic steady flows indicate that the new scheme has high accuracy and high resolution for shock waves. Combined with the adaptive remeshing technique, satisfactory results can be obtained.     

N-S方程在非结构网格下的求解

在Ｒｏｅ的矢通量差分分裂的基础上，吸收了ＮＮＤ格式的优点，提出了一种非结构网格下求解Ｅｕｌｅｒ方程和Ｎ－Ｓ方程的高分辨率高精度迎风格式．这种格式具有捕捉强激波和滑移线的良好性能．在时间方向上采用了显式和隐式两种解法．文中还给出了自适应技术．最后，成功地完成了ＧＡＭＭ超音速前台阶绕流、二维平板无粘激波反射、三维Ｈｏｂｓｏｎ叶栅流动、ＶＫＩ叶栅流动、Ｃ３Ｘ叶栅流动的数值模拟，得到了满意的结果     

管系内一维可压缩流动数值建模与特性分析

针对复杂管系内可压缩流体,基于有限体积法,采用HLLC(Harten-Lax-vanLeerContact)格式和黎曼求解器构建了有限控制体数值离散方法,引入虚拟节点用于连接有限控制体,借助虚拟节点给出控制体之间数值通量的计算格式,发展了一种管道内一维流动数值建模方法。针对含有分支管路的管系,在管道连接部位构建了分支管路拟一维流动数值计算模型。基于所发展的一维流动数值方法,建立了变径管道和含60°分支管道内流动计算模型,验证了该方法的收敛性和有效性;基于虚拟节点的数值格式处理变径管激波问题具有一定精度优势。研究了变径管和分支管模型中可压缩流体激波、稀疏波等的传播机理,分析了管径对相邻支管压力的影响,为工程管路设计提供了参考。     

Solution to Euler equations by high‐resolution upwind compact scheme based on flux splitting

A high‐resolution upwind compact method based on flux splitting is developed for solving the compressive Euler equations. The convective flux terms are discretized by using the modified advection upstream splitting method (AUSM). The developed scheme is used to compute the one‐dimensional Burgers equation and four different example problems of supersonic compressible flows, respectively. The results show that the high‐resolution upwind compact scheme based on modified AUSM+ flux splitting can capture shock wave and other discontinuities, obtain higher resolution and restrain numerical oscillation. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

群速度控制格式及二维Riemann解

强激波和强接触间断的数值模拟一直是计算流体力学里一个富有挑战性的课题,它们是很多实际流动的基础。三阶迎风紧致格式是一种具有较高分辨率的高精度方法,但是在计算激波时仍有数值振荡产生。本文根据数值解的群速度特性,在三阶迎风紧致格式的基础上提出了一种群速度控制格式,使得能够正确模拟含有强激波和强接触间断的复杂流动。在此基础上构造了求解包含大压力比和密度比的二维界面问题的数值方法。计算结果表明,方法对激波和接触间断的分辨效果是令人满意的。     

Evaluation of Euler fluxes by a high-order CFD scheme: shock instability

The construction of Euler fluxes is an important step in shock-capturing/upwind schemes. It is well known that unsuitable fluxes are responsible for many shock anomalies, such as the carbuncle phenomenon. Three kinds of flux vector splittings (FVSs) as well as three kinds of flux difference splittings (FDSs) are evaluated for the shock instability by a fifth-order weighted compact nonlinear scheme. The three FVSs are Steger–Warming splitting, van Leer splitting and kinetic flux vector splitting (KFVS). The three FDSs are Roe's splitting, advection upstream splitting method (AUSM) type splitting and Harten–Lax–van Leer (HLL) type splitting. Numerical results indicate that FVSs and high dissipative FDSs undergo a relative lower risk on the shock instability than that of low dissipative FDSs. However, none of the fluxes evaluated in the present study can entirely avoid the shock instability. Generally, the shock instability may be caused by any of the following factors: low dissipation, high Mach number, unsuitable grid distribution, large grid aspect ratio, and the relative shock-internal flow state (or position) between upstream and downstream shock waves. It comes out that the most important factor is the relative shock-internal state. If the shock-internal state is closer to the downstream state, the computation is at higher susceptibility to the shock instability. Wall-normal grid distribution has a greater influence on the shock instability than wall-azimuthal grid distribution because wall-normal grids directly impact on the shock-internal position. High shock intensity poses a high risk on the shock instability, but its influence is not as much as the shock-internal state. Large grid aspect ratio is also a source of the shock instability. Some results of a second-order scheme and a first-order scheme are also given. The comparison between the high-order scheme and the two low-order schemes indicates that high-order schemes are at a higher risk of the shock instability. Adding an entropy fix is very helpful in suppressing the shock instability for the two low-order schemes. When the high-order scheme is used, the entropy fix still works well for Roe's flux, but its effect on the Steger–Warming flux is trivial and not much clear.