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。     

高超声速再入体表面热流计算

运用非结构网格计算外部无粘流场,并结合边界层内粘性主导区域的工程算法,计算高超声速飞行器的气动加热。通过求解三维Euler方程确定复杂外形飞行器的边界层外缘参数,在理论与经验公式的基础上,利用局部相似性解的方法计算了钝锥和钝双锥外形有攻角再入的表面热流,并与国内外文献的NS方程数值计算结果和风洞试验结果进行了对比,三者的结果吻合较好。     

非结构混合网格化学非平衡粘性绕流数值模拟

在非结构混合网格上对化学非平衡粘性绕流进行了数值模拟。控制方程为考虑了化学非平衡效应的二维Navier-Stokes方程,化学动力学模型为7组元、7反应模型。控制方程中的对流项采用VanLeer逆风分裂格式处理,并应用MUSCL方法及Minmod限制器扩展到二阶精度,粘性项用中心差分格式处理。时间推进采用显式5步龙格-库塔方法。为了适应高超声速流场计算,对VanLeer通量分裂方法进行了改进,并引入了化学反应时间步长。对RAMC-II模型的飞行试验流场进行了数值模拟,计算结果与试验测量数据符合较好,并与参考文献中的数值模拟结果吻合。     

机动弹头高超声速粘性绕流数值模拟

采用空间二阶精度的交替方向隐式分解的NND格式求解完全气体假定下的非定常薄层近似NaVierStokes方程,并采用抛物化的椭圆型方程生成复杂带翼弹头的空间网格.最后给出了机动弹头在M∞=7.3,α=20°下的流场计算结果.计算结果表明本文所采用的计算网格及计算方法可以适用于高超声速复杂流场的数值模拟.     

磁流体动力学斜激波控制数值模拟分析

高超声速飞行器MHD(磁流体动力学)斜激波控制应用的关键在于理解等离子体斜激波流场与磁场的相互作用规律,这里发展了全MHD数值模拟方法对其进行研究,数值方法基于八波方程附加源项形式,进行有限体积离散,采用了Roe求解器、OC-TVD空间格式和LU-SGS方法,且采用投影方法降低磁场伪散度误差.考察外加均匀磁场的马赫10无粘导电拐角流动,压缩角为10°.结果中散度误差较低,并且通过激波参数验证了结果的准确性.流场显示,磁场使得激波角增大,部分情况下出现了快、慢激波结构,其中快激波变化更明显;壁面压强根据磁场的不同出现了不同程度的降低.最后采用群速度图方法进行了快慢激波形式分析,解释了磁场影响下流场形式变化机理.     

高超声速三维化学非平衡流动简化NS方程数值解

本文研究用时间稳定法求解高超声速三维化学非平衡流动简化ＮＳ方程，把整个非平衡流体动力学问题分裂为流体力学问题和化学问题。流体力学与化学问题之间的耦合通过迭代方式加以处理。考虑高温空气分解与电离，七个化学组元，并认为化学反应是以有限速率进行的．差分格式采用无自由参数的混合反扩散格式，激波及壁面处理应用特征线理论．对来流攻角为１０°，马赫数为２６，飞行高度为８５ｋｍ的钝锥体，给出了流场参数和物面加热率的数值计算结果．     

基于非结构网格的TTGC有限元格式的实现及在超声速流动中的应用

基于非结构网格系统,实现了时空三阶精度的TTGC有限元格式,并在三阶TTGC格式上发展了基于人工粘性的激波捕捉技术。在非结构网格下,采用这种方法对若干典型的超声速流动问题(SOD激波管、马赫数为3的前台阶流动以及马赫数为8的高超声速圆柱流动)进行了验证计算。结果表明,TTGC格式分辨率高,在粗糙网格下能够准确的模拟超声速流场中的激波、接触间断等复杂流动现象,并且能有效的控制间断附近的数值色散现象。与传统的有限体积方法相比,本文实现的TTGC有限元格式在模拟超声速流动问题方面具有格式精度高、数值耗散小等优点。     

复杂无粘流场数值模拟的矩形/三角形混合网格技术

建立了一套模拟复杂无粘流场的矩形／三角形混合网格技术，其中三角形仅限于物面附近，发挥非结构网格的几何灵活性，以少量的网格模拟复杂外型；同时在以外的区域采用矩形结构网格，发挥矩形网格计算简单快速的优势，有效地克服全非结构网格计算方法需要较大内存量和较长ＣＰＵ时间的不足．混合网格系统由修正的四分树方法生成．将ＮＮＤ有限差分与ＮＮＤ有限体积格式有机地融合于混合网格计算，消除了全矩形网格模拟曲边界的台阶效应，同时保证了网格间的通量守恒．数值实验表明本方法在模拟复杂无粘流场方面的灵活性和高效性．     

三维N-S方程计算隐式有限体积法

利用NND有限差分格式，发展了一种新的完全隐式的有限体积数值方法，以求解与时间相关的N－S方程．对通过单元体界面的无粘流和粘性流通量均作隐式处理．对绕流钝锥体和不同攻角的气动辅助实验飞行器的高超声速粘性流和化学反应流获得了定常数值解．对流加热率和流场电子密度的计算值与实验数据进行了比较，符合较好，证实了本方法的精确性．     

高超声速非定常流动的数值模拟与气动热计算

高超声速飞行器研究中的一个重点问题是飞行器表面的气动加热,它对飞行器的气动、热特性及安全性有重要的影响.受到当前实验技术的限制,地面实验无法准确模拟真实飞行条件,所以采用数值模拟研究气动加热问题成为目前重要的研究手段.本文采用数值方法求解三维N-S方程,得到钝头体再入模型绕流的瞬态流场,驻点温度及表面热流沿轨道变化规律.计算中采用变边界条件模拟沿轨道飞行的非定常性.     

基于分子平均自由程的热流计算壁面网格准则

面向壁面热流Navier-Stokes方程数值计算的应用, 研究了壁面法向网格尺度问题.从气体分子物理学角度, 对壁面热流进行了微观统计分析,指出壁面热流与气体分子平均自由程之间的内在联系是壁面法向网格尺度存在最优下限的原因. 据此建立了一个新的壁面法向网格尺度准则, 即MFP准则.该准则简单、实用, 具有清晰的热力学物理意义, 且只依赖于壁面局部参数. 并以多种对比算例验证了MFP准则的准确性和适用性.      

An unstructured/structured multi‐layer hybrid grid method and its application

A multi‐layer hybrid grid method is constructed to simulate complex flow field around 2‐D and 3‐D configuration. The method combines Cartesian grids with structured grids and triangular meshes to provide great flexibility in discretizing a domain. We generate the body‐fitted structured grids near the wall surface and the Cartesian grids for the far field. In addition, we regard the triangular meshes as an adhesive to link each grid part. Coupled with a tree data structure, the Cartesian grid is generated automatically through a cell‐cutting algorithm. The grid merging methodology is discussed, which can smooth hybrid grids and improve the quality of the grids. A cell‐centred finite volume flow solver has been developed in combination with a dual‐time stepping scheme. The flow solver supports arbitrary control volume cells. Both inviscid and viscous flows are computed by solving the Euler and Navier–Stokes equations. The above methods and algorithms have been validated on some test cases. Computed results are presented and compared with experimental data. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

非结构混合网格在气动热标模模拟中的应用

非结构混合网格消除了结构网格节点的结构性限制,可以较好地处理边界,同时兼顾了粘性边界层模拟的需求,具有灵活性大、对复杂外形适应能力强和生成耗时短等优点,在飞行器气动特性模拟中得到广泛应用.本文针对非结构混合网格的特点,把前期针对非结构混合网格气动力高精度模拟发展改进的梯度计算方法和Roe格式熵修正方法推广应用到气动热流的数值模拟.以典型钝锥标模外形的高超声速绕流为研究对象,开展了不同网格形式和第一层网格不同间距的影响研究.结果 表明,热流计算时,头部物面网格最好采用四边形或四边形交叉剖分得到的三角形网格,物面法向的网格雷诺数取20左右,为热流计算时非结构混合网格的生成提供了指导,同时验证了计算方法的有效性和可靠性.     

Magnetic field applied to thermochemical non-equilibrium reentry flows in 2D – five species

In this work, a study involving magnetic field actuation over reentry flows in thermochemical non-equilibrium is performed. The Euler and Navier–Stokes equations are studied. The proposed numerical algorithm is centred and second-order accurate. The hypersonic flow around a blunt body is simulated. Three time integration methods are tested. The reactive simulations involve Earth atmosphere of five species. The work of Gaitonde is the reference to couple the fluid dynamics and Maxwell equations of electromagnetism. The results have indicated that the Maciel scheme, using the Mavriplis dissipation model, yields the best prediction of the stagnation pressure.     

Magnetohydrodynamic control of supersonic flow past bodies: Possibilities and undesirable effects

Basic problems of super-and hypersonic magnetohydrodynamics (MHD) associated with the determination of the integral characteristics of bodies and vehicles inside which there are systems generating a uniform magnetic field are considered. Three classes of flows, namely, flow in a hypersonic multimode fixed-geometry air-intake; internal and external flow in a model of a hypersonic vehicle containing an air-intake with an MHD generator, a combustion chamber, and a supersonic nozzle; and hypersonic flow past a blunt cone are studied using numerical simulation and theoretical analysis (on the basis of the complete averaged system of Navier-Stokes equations and the electrodynamic equations). Attention is concentrated on the presence of an additionalmagnetic force acting on the system generating themagnetic field and, consequently, on the body and initiating an additional drag (in the case of a vehicle-reducing its thrust). Attractive possibilities for MHD flow control, namely, an increase in the degree of flow compression in the air-intake, a reduction in the ignition length in the combustion chamber, and a decrease in the heat flux to the nose of the body, are noted, as well as negative effects associated with the action of the magnetic force on the bodies considered.     

On the accuracy and efficiency of CFD methods in real gas hypersonics

A study of viscous and inviscid hypersonic flows using generalized upwind methods is presented. A new family of hybrid flux-splitting methods is examined for hypersonic flows. The hybrid method is constructed by the superposition of the flux-vector-splitting (FVS) method and second-order artificial dissipation in the regions of strong shock waves. The conservative variables on the cell faces are calculated by an upwind extrapolation scheme to third-order accuracy. A second-order-accurate scheme is used for the discretization of the viscous terms. The solution of the system of equations is achieved by an implicit unfactored method. In order to reduce the computational time, a local adaptive mesh solution (LAMS) method is proposed. The LAMS method combines the mesh-sequencing technique and local solution of the equations. The local solution of either the Euler or the NAVIER-STOKES equations is applied for the region of the flow field where numerical disturbances die out slowly. Validation of the Euler and NAVIER-STOKES codes is obtained for hypersonic flows around blunt bodies. Real gas effects are introduced via a generalized equation of state.     

间断Galerkin有限元和有限体积混合计算方法研究

通过局部坐标变换而建立的非正交单元间断Galerkin(DG)有限元计算方法计算精度高， 但计算量大、内存需求大；而非结构网格有限体积方法虽然准确计算热流的问题目 前还没有完全解决，但其具有计算速度快和内存需求小的优点. 该研究是将有 限元和有限体积方法的优点结合，发展有限元和有限体积的混合方法. 在物面 附近黏性占主导作用的区域内采用有限元方法进行计算，在远离物面的区域采用快速的有限 体积方法进行计算，在有限元和有限体积方法结合处要保证通量守恒. 通过算例说明有 限元和有限体积混合方法既能保证黏性区域的热流计算精度和流场结构的分辨率，又能 降低内存需求和提高计算效率，使有限元方法应用于复杂外形(实际工程问题)的计 算成为可能.     

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.