结合并行策略与距离减缩法的搜索算法及其在CAA中的应用

为提高流场与声场信息传递效率,建立了一种耦合MPI并行策略与改进距离减缩法的搜索算法。在完成点搜索后,采用一种适合于结构和非结构网格的形函数插值算法进行流场插值,实现了流场信息从流场网格到声场网格的快速传递。针对网格点搜索算法效率的验证,选用二维30P30N三段翼为研究对象,在不同的子进程数下进行对比分析。结果表明,相对于传统的距离减缩算法,本文提出的改进算法能有效提高CAA网格点的搜索效率,并且效率随着子进程数的增加而提高。在此基础上,将建立的流场与声场信息传递技术模块应用于CAA方法中,并对二维NACA0012翼型的后缘噪声问题进行计算分析,计算结果反映基于流场与声场信息快速传递算法的CAA方法能有效模拟宽频气动噪声问题。     

非结构重叠网格方法研究及应用

航空、航天和兵器技术等领域的研究中存在大量包含运动边界的流场。非结构重叠网格方法是一种高效的处理动边界问题的新方法。围绕相对运动的每个物体单独生成非结构网格,在网格重叠区域通过搜索和插值完成网格系之间的信息传递,提出了动态八叉树搜索算法,发展了绝对坐标系和相对坐标系相结合的流场求解方式,采用二阶精度Van Leer/Hanel格式和四阶Runge-Kutta法分别进行空间和时间离散,形成了一种新的非结构重叠网格算法。对三维Riemann问题的求解结果与精确解能很好吻合,证明了本文的重叠网格算法具有较好的时空离散精度和插值精度。对7.62mm步枪射击过程进行了数值模拟,描述了弹丸离开膛口后膛口流场的发展过程,与实验结果体现的发展过程较为吻合,验证了本文提出的非结构网格算法体系具有较好的计算性能,是研究含动边界复杂流场的一种有效手段。     

线化欧拉方程的高阶间断有限元数值解法研究

采用高阶间断有限元法于非结构网格上针对复杂外形数值求解声学控制方程------线化欧拉方程. 背景流场采用有限体积法于结构网格求得, 一种高精度数据传递方法将基于有限体积法的背景流场数据传递到声场计算所采用的较为稀疏的非结构网格上, 保证了背景流场信息的完整和精确. 为提高计算效率, 采用了一种更为直接的Quadrature-FreeImplementation技术以及网格分区并行技术. 数值结果表明采用高阶的情况下即使在稀疏的网格上也可以捕捉到细微的声场结构.      

基于Navier-Stokes／Kirchhoff方程的悬停旋翼跨声速气动声学计算

研究了Kirchhoff积分面是否有盖有底,以及是否计及旋翼网格上的流场值,这两个因素对噪声预测结果的影响.发展了一种基于重叠网格的计算悬停旋翼远场噪声的数值方法.数值计算过程分为流场模拟和声场模拟两部分.悬停旋翼流场的数值模拟是在两个相互重叠的网格上进行的:在高质量的旋翼网格上求解Navier-Stokes方程,用于模拟旋翼附近的粘性流动和近场尾涡的捕捉;在远离粘性区域处布置符合悬停流场物理特征的圆柱形背景网格,控制方程为Euler方程,用于远场尾涡的捕捉.计算得到的流场信息插值到用于声场计算的Kirchhoff积分面上.观测点处的噪声可以认为是由这个完全包含桨叶的Kirchhoff积分面上的面元(声源)发声得到.远场声波的传播由Kirchhoff积分公式描述.计算结果表明:采用有盖有底的Kirchhoff积分面并且同时计及旋翼网格流场值时,计算得到的HSI噪声与实验值吻合最好.     

基于人工神经网络的非结构网格尺度控制方法

网格自动化生成和自适应是制约计算流体力学发展的瓶颈问题之一, 网格生成质量、效率、灵活性、自动化程度和鲁棒性是非结构网格生成的关键问题. 在非结构网格生成中, 网格空间尺度分布控制至关重要, 直接影响网格生成质量、效率和求解精度. 采用传统的背景网格法进行空间尺度分布控制需要在背景网格上求解微分方程得到背景网格上的尺度分布, 再将网格尺度从背景网格插值到真实空间点, 过程十分繁琐且耗时. 本文从效率和自动化角度提出两种网格尺度控制方法, 首先发展了基于径向基函数(RBF)插值的网格尺度控制方法, 通过贪婪算法实现边界参考点序列的精简, 提高了RBF插值的效率. 同时, 还采用人工神经网络进行网格尺度控制, 初步引入相对壁面距离和相对网格尺度作为神经网络输入输出参数, 建立人工神经网络训练模型, 采用商业软件生成二维圆柱和二维翼型非结构三角形网格作为训练样本, 通过训练和学习建立起相对壁面距离和相对网格尺度的神经网络关系. 进一步实现了二维圆柱、不同的二维翼型的尺度预测, RBF方法和神经网络方法的效率与传统背景网格法相比提高了5~10倍, 有助于提高网格生成的效率. 最后, 将方法推广应用于各向异性混合网格尺度预测, 得到的网格质量满足要求.      

一种新型高鲁棒性动网格技术及其应用

首先对四元数进行李代数空间指数映射,解决了多个四元数插值问题,并结合距离倒数插值方法实现网格边界扰动向空间网格的传播,建立了新型高鲁棒性的四元数变形网格技术. 针对该型动网格技术中由于大型矩阵运算量引起的运算效率低问题,同时利用四元数方法在动网格变形中具备与物面边界高阶一致性的特点,提出了分层次变形策略,避免了面向全流场网格节点的大型矩阵运算;进一步基于无限插值技术较强的逻辑保持能力,建立了面向结构网格分层混合变形方法. 充分利用多区域重叠、对接网格变形技术中隐含的并行性,基于对等式编程思想及MPI 库函数对动网格程序进行并行化编程,建立了高效高鲁棒性的变形网格技术. 以某型客机翼身组合体气动弹性分析为范例,研究了不同方法之间的计算效率以及鲁棒性,进一步将分层混合变形网格技术应用于某型支线客机全机型架外形设计与修正,验证了所建立的新型动网格技术的高效性与鲁棒性.      

带制退器的膛口射流噪声数值模拟与实验研究

为了研究膛口装置对膛口噪声气动特性的影响，对带膛口制退器的某小口径武器的膛口射流噪声进行了数值模拟和实验研究。采用计算流体力学CFD (computational fluid dynamics)-计算气动声学CAA (computational aeroacoustics)耦合算法对膛口噪声进行数值模拟，即对膛口流场进行瞬态CFD模拟，获取流场数据，然后利用所得到的结果采用声学方程模拟声源信息求解声场。基于数值模拟结果，分析了膛口流场变化及噪声的指向性分布，并与实验结果进行了对比。研究表明:膛口制退器的安装改变了膛口流场结构，影响了膛口射流噪声的指向性分布。计算结果与实验结果的误差小于9%，验证了该计算方法的可行性。研究结果可为膛口射流噪声的预测及膛口制退器的设计提供一定的参考。     

采用自适应直角网格计算三维增升装置绕流

针对三维增升装置绕流，对存在剪刀叉的不连续外形，基于自适应直角网格，提出并介绍了分区和面搭接技术，采用变长宽比网格，进行了直角网格生成和流场Euler方程数值计算. 根据几何外形的特点，在直角网格生成过程中，以外形不连续面作为分区边界，对初始``根'网格实施分区处理，降低了整个网格的生成难度. 通过基于外形的自适应网格加密，详细描述了剪刀叉外形和缝道，提高了网格质量. 在分区边界面上，基于面搭接技术，构造重叠面积切割算法，实现边界两侧网格间的流场信息传递，保证流场计算中的通量守恒. 采用中心有限体积方法，结合双时间推进算法，完成了两段机翼、带增升襟翼翼身组合体绕流流场的Euler方程数值模拟，对计算结果与实验数据进行了对比，验证了所提方法、算法的合理性和实用性.     

基于优化模型的结构声学耦合界面载荷传递算法

针对结构声学耦合系统的界面载荷传递问题,提出了一种基于约束最优化模型的局部参数插值算法。耦合界面处结构和流体单元表面坐标通过各自的形状函数进行插值,把界面载荷在互不匹配的网格节点间的传递问题转化为一个点到用自然坐标表示的有限边界曲面的最小距离问题,以便利用成熟稳定的优化算法对其进行高效求解。与已有方法相比,该算法在耦合界面单元为曲面的情况下仍能保持较高的计算精度。本文给出的数值算例验证了本算法的有效性和可靠性。     

格子玻尔兹曼法多块网格的交界结构优化研究

基于格子玻尔兹曼方法LBM(Lattice Boltzmann Method)对多块网格方法(Multi-Block)的粗细网格交界结构进行了研究,提出了一种新的优化处理方案。解决了原有网格交界结构存在的三个问题,即两套插值运算造成的程序结构复杂的问题,存储前几个时间步的节点流场数据以备插值运算造成内存浪费的问题和基于时间插值结果进行空间插值计算造成插值误差积累的问题。用一次多点二维空间插值的方式,将原方法的空间和时间双插值,简并成一次空间插值。通过对经典的非定常的圆柱绕流算例和定常的标准顶盖方腔驱动流算例的仿真模拟,验证了交界面处质量、动量及应力的连续性以及网格交界面数据过渡的流畅度,最终验证了改进方法的正确性。数值模拟结果表明,改进后多块算法可实现局部网格细化,进一步推动LBM方法在实际工程问题中的应用。     

A Three-Dimensional Hybrid LES-Acoustic Analogy Method for Predicting Open-Cavity Noise

A three-dimensional (3D) hybrid LES-acoustic analogy method for computational aeroacoustics (CAA) is presented for the prediction of open-cavity noise. The method uses large-eddy simulation (LES) to compute the acoustic source while the Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H) acoustic analogy is employed for the prediction of the far-field sound. As a comparison, a two-dimensional (2D) FW-H analogy is also included. The hybrid method has been assessed in an open-cavity flow at a Mach number of 0.85 and a Reynolds number of Re=1.36×10⁶, where some experimental data are available for comparison. The study has identified some important technical issues in the application of the FW-H acoustic analogy to cavity noise prediction and CAA in general, including the proper selection of the integration period and the modes of sound sources in the frequency domain. The different nature of 2D and 3D wave propagation is also highlighted, which calls for a matching acoustic solver for each problem. The developed hybrid method has shown promise to be a feasible, accurate and computationally affordable approach for CAA.     

基于SIMPLER算法的多重网格方法研究

以二维方腔顶盖驱动流为模型,将多重网格方法和SIMPLER算法进行耦合,对不同雷诺数下多重网格加速SIMPLER算法和SIMPLER算法的计算效率进行了对比,数值计算表明:多重网格加速SIMPLER算法不仅能够解决SIMPLER算法不能准确模拟较高雷诺数流场的问题,而且其计算效率远远高于SIMPLER算法.本文也对松弛因子的选取、多重网格实现形式以及网格层数对多重网格加速SIMPLER算法的影响进行了研究,从而为多重网格加速SIMPLER算法的实施提供了计算技术.     

A universal cubic interpolation solver for compressible and incompressible fluids

A universal numerical solver commonly usable for compressible and incompressible fluids is proposed. The method approaches the MAC algorithm at very high sound speed and continuously approaches the algorithm for compressible fluid with decreasing sound speed. The advection term is treated by the CIP algorithm which was previously proposed. A single program is applied to one- and two-dimensional shock-tube problems, and two-dimensional liquid flow inside a cavity at high Reynolds number.This article was processed using Springer-Verlag T_EX Shock Waves macro package 1990.     

阶梯圆柱形耦合声场的特征正交-里兹法建模及声学特性分析

针对阶梯圆柱形耦合声场建模问题,提出基于特征正交-里兹能量原理的声学建模方法.该方法利用二维特征正交多项式和周向傅里叶级数表征阶梯圆柱形耦合声场子分段的声压函数,从能量角度考虑邻近子声场间声学连续性条件,并结合里兹法获得耦合声场的声学特性.基于本建模方法对不同分段的耦合声场开展声学特性分析,结果表明,本建模方法在保证计算准确性的基础上有效提高了计算效率,且对任意阶梯分段的圆柱形耦合声场普遍适用;圆柱形耦合声场固有频率会随着腔体外径增大而普遍增大,而腔深的影响规律相反;降低声学边界阻抗可抑制声学响应幅值,为此类声场的噪声控制提供了设计依据.     

基于贴体网格的VOF方法数模流场研究

提出了一种基于VOF方法的模拟具有复杂边界形状结构物附近流场的新算法,BFC—SIMPLE—VOF算法。采用坐标变换方法实现了任意复杂区域的结构化网格划分,在贴体网格下对二维不可压缩粘性流体的控制方程进行了离散。提出了基于交错网格的修正SIMPLE算法来迭代求解压力一速度场,修正了贴体坐标下的界面跟踪方法（VOF方法）...     

Numerical simulation of flow‐induced noise using LES/SAS and Lighthill's acoustic analogy

We present a finite element (FE) formulation of Lighthill's acoustic analogy for the hybrid computation of noise generated by turbulent flows. In the present approach, the flow field is computed using large eddy simulation and scale adaptive simulation turbulence models. The acoustic propagation is obtained by solving the variational formulation of Lighthill's acoustic analogy with the FE method. In order to preserve the acoustic energy, we compute the inhomogeneous part of Lighthill's wave equation by applying the FE formulation on the fine flow grid. The resulting acoustic nodal loads are then conservatively interpolated to the coarser acoustic grid. Subsequently, the radiated acoustic field can be solved in both time and frequency domains. In the latter case, an enhanced perfectly matched layer technique is employed, allowing one to truncate the computational domain in the acoustic near field, without compromising the numerical solution. Our hybrid approach is validated by comparing the numerical results of the acoustic field induced by a corotating vortex pair with the corresponding analytical solution. To demonstrate the applicability of our scheme, we present full 3D numerical results for the computed acoustic field generated by the turbulent flow around square cylinder geometries. The sound pressure levels obtained compare well with measured values. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

CE/SE方法在多管爆轰流场并行计算中的应用

应用改进的CE/SE方法和并行分区技术,针对二维非结构网格,发展了一套求解化学反应流场的并行程序。采用带扩张-收敛喷管的多管脉冲爆轰发动机模型,把计算域分成若干子域进行并行求解。采用H2和O2的8组分34基元化学反应模型,对恰当化学当量比混合的氢气和氧气在单爆轰管内的起爆和向多管传播的过程进行了数值模拟。计算结果表明:CE/SE方法能很好地捕捉爆轰流场的精细结构,结果与相关文献符合良好;单管产生的爆轰波对旁通爆轰管的流场结构有很大的影响,能引爆其中的可燃气体。     

Development of Computational Aeroacoustics Tools for Airframe Noise Calculations

This paper discusses the development of computational aeroacoustics (CAA) tools for airframe noise analysis and prediction. We review recent progress in this topic, but emphasize our vision for the future development of such tools. Our intention is for this vision to drive future CAA research in directions that will accelerate widespread use of CAA for airframe noise applications. We discuss the needs for accuracy, efficiency, and easy interface with other design tools and illustrate how CAA tools may help future aircraft design. We explain what appears to be achievable in a 20-year time frame, and what goals will probably take longer.

Important barrier issues include the effects of numerical dispersion and dissipation, the treatment of highly curved, irregular boundary surfaces, and grid generation. Beyond these largely numerical issues, we discuss the role of physics-based modeling, including turbulence modeling in unsteady flow computations and the importance of developing sophisticated techniques for analyzing results of computations. Numerical simulations combined with the acoustic analogy methodology to predict noise are also reviewed. Finally, we discuss how to use recent advances in measurement techniques for CAA tool validation, which is an integral part of future development.     

Multigrid flow solutions in complex two-dimensional geometries

A finite difference solution algorithm is described for use on two-dimensional curvilinear meshes generated by the solution of the transformed Laplace equation. The efficiency of the algorithm is improved through the use of a full approximation scheme (FAS) multigrid algorithm using an extended pressure correction scheme as smoother. The multigrid algorithm is implemented as a fixed V-cycle through the grid levels with a constant number of sweeps being performed at each grid level. The accuracy and efficiency of the numerical code are validated using comparisons of the flow over two backward step configurations. Results show close agreement with previous numerical predictions and experimental data. Using a standard Cartesian co-ordinate flow solver, the multigrid efficiency obtainable in a rectangular system is shown to be reproducible in two-dimensional body-fitted curvilinear co-ordinates. Comparisons with a standard one-grid method show the multigrid method, on curvilinear meshes, to give reductions in CPU time of up to 93%.