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。     

求解可压缩流的二维通量分裂格式

传统的一维通量分裂格式在计算界面数值通量时,只考虑网格界面法向的波系。采用传统的TV格式分别求解对流通量和压力通量。通过求解考虑了横向波系影响的角点数值通量来构造一种真正二维的TV通量分裂格式。在计算一维数值算例时,该格式与传统的TV格式具有相同的数值通量计算公式,因此其保留了传统的TV格式精确捕捉接触间断和膨胀激波的优点。在计算二维算例时,该格式比传统的TV格式具有更高的分辨率;在计算二维强激波问题时,消除了传统TV格式的非物理现象,表现出更好的鲁棒性;此外,该格式大大提高了稳定性CFL数,从而具有更高的计算效率。因此,本文方法是一种精确、高效并且具有强鲁棒性的数值方法,在可压缩流的数值模拟中具有广阔的应用前景。     

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。     

HLLE++格式在高马赫数空腔流动模拟中的应用

空腔流动存在剪切层运动、涡脱落与破裂,以及激波与激波、激波与剪切层、激波与膨胀波和激波/涡/剪切层相互干扰等现象,流动非常复杂,特别是高马赫数(M>2)时,剪切层和激波更强,激波与激波干扰更严重,对数值格式的要求更高,既需要格式耗散小,对分离涡等有很高的模拟精度,又需要格式在激波附近具有较大的耗散,可以很好地捕捉激波,防止非物理解的出现。Roe和HLLC等近似Riemann解格式在高马赫数强激波处可能会出现红玉现象,而HLLE++格式大大改善了这种缺陷,在捕捉高超声速激波时避免了红玉现象的发生,同时还保持在光滑区域的低数值耗散特性。本文在结构网格下HLLE++格式的基础上,通过改进激波探测的求解,建立了基于非结构混合网格的HLLE++计算方法,通过无粘斜坡算例,验证了HLLE++格式模拟高马赫数流动的能力,并应用于高马赫数空腔流动的数值模拟,开展了网格和湍流模型影响研究,验证了方法模拟高马赫数空腔流动的可靠性和有效性。     

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.     

用隐式方法和WENO格式计算悬停旋翼跨声速无粘流场

寻找一种能够准确计算以涡为主要特征的复杂流场和克服尾迹耗散问题的数值方法,一直是旋翼空气动力学研究的热点和难点。本文发展了一种基于高阶迎风格式计算悬停旋翼无粘流场的隐式数值方法。无粘通量采用Roe通量差分分裂格式,为提高精度,使用五阶WENO格式进行左右状态插值,并与MUSCL插值进行比较。为提高收敛到定常解的效率,时间推进采用LU-SGS隐式方法。用该方法对一跨声速悬停旋翼无粘流场进行了数值计算,数值结果表明WENO-Roe的激波分辨率高于MUSCL-Roe,体现出了格式精度的提高对计算结果的改善,LU-SGS隐式方法的计算效率比5步Runge-Kutta显式方法的高。     

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。     

网格自适应技术在复杂外形流场模拟中的应用

建立了一套适用于非结构混合网格自适应方法,针对激波和涡的不同特征采用不同加密探测器,各向异性加密棱柱单元并沿物面法向方向剖分所有棱柱层,各向异性剖分四面体单元,并保证四面体与棱柱交界面上网格协调。构造Hermit插值近似投影物面新加网格点和基于Laplacian光滑方法对空间网格进行优化。通过网格自适应加密,使用Roe格式计算高超声速球头绕流的红玉现象得到明显减轻。F16飞机含激波和脱体涡的流场自适应计算表明,网格加密集中在激波面和涡核附近区域,激波和涡计算更准确。     

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。     

Realization of contact resolving approximate Riemann solvers for strong shock and expansion flows

The Harten–Lax–van Leer contact (HLLC) and Roe schemes are good approximate Riemann solvers that have the ability to resolve shock, contact, and rarefaction waves. However, they can produce spurious solutions, called shock instabilities, in the vicinity of strong shock. In strong expansion flows, the Roe scheme can admit nonphysical solutions such as expansion shock, and it sometimes fails. We carefully examined both schemes and propose simple methods to prevent such problems. High‐order accuracy is achieved using the weighted average flux (WAF) and MUSCL‐Hancock schemes. Using the WAF scheme, the HLLC and Roe schemes can be expressed in similar form. The HLLC and Roe schemes are tested against Quirk's test problems, and shock instability appears in both schemes. To remedy shock instability, we propose a control method of flux difference across the contact and shear waves. To catch shock waves, an appropriate pressure sensing function is defined. Using the proposed method, shock instabilities are successfully controlled. For the Roe scheme, a modified Harten–Hyman entropy fix method using Harten–Lax–van Leer‐type switching is suggested. A suitable criterion for switching is established, and the modified Roe scheme works successfully with the suggested method. Copyright © 2009 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。     

A robust low‐dissipation AUSM‐family scheme for numerical shock stability on unstructured grids

The simple low‐dissipation advection upwind splitting method (SLAU) scheme is a parameter‐free, low‐dissipation upwind scheme that has been applied in a wide range of aerodynamic numerical simulations. In spite of its successful applications, the SLAU scheme could be showing shock instabilities on unstructured grids, as many other contact resolved upwind schemes. Therefore, a hybrid upwind flux scheme is devised for improving the shock stability of SLAU scheme, without compromising on accuracy and low Mach number performance. Numerical flux function of the hybrid scheme is written in a general form, in which only the scalar dissipation term is different from that of the SLAU scheme. The hybrid dissipation term is defined by using a differentiable multidimensional‐shock‐detection pressure weight function, and the dissipation term of SLAU scheme is combined with that of the Van Leer scheme. Furthermore, the hybrid dissipation term is only applied for the solution of momentum fluxes in numerical flux function. Based on the numerical test results, the hybrid scheme is deemed to be a successful improvement on the shock stability of SLAU scheme, without compromising on the efficiency and accuracy. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

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