TVD格式在超音速喷管三维粘性流动求解中的应用

详细给出了任意三维曲线坐标系中Ｎｏｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程的对流项ＴＶＤ格式的构造过程，建立了数值求解三维粘性流动的计算方法，应用该方法对三维超音速喷管中有激波及无激波情况下的两种工况的层流流场进行了数值求解，并与实验做了对比。结果表明本文建立的计算方法具有较高的精度，同时也证明ＴＶＤ格式具有分辩率高，稳定收敛等优点，为进一步开展叶栅流场及紊流的研究打下了基础。     

平面叶栅跨音流场气动特性的数值研究

通过对模型方程的分析，给出了一种新的隐格式构造思想。将它运用到关通量分裂格式中，可得到无近似因子分解、无矩阵运算的高效二阶精度隐式矢通量分裂差分格式，并用来直接求解时间平均Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程组。数值计算标明：该方法具有精度高、稳定性好、计算量少、收敛快等优点，在平面叶栅跨音流场的计算中，较好地捕获了激波，与实验比较，结果令人满意。     

流体动力系统激波的数值模拟

本文为了对流体动力系统含有激波的跨音速流动进行数值模拟,给出了曲线坐标系下的LU-AUSMLW算法。该算法综合利用了AUSMPW格式与LU-SGS方法的优点。本文通过采用三阶MUSCL格式获得高阶精度。为了验证该算法的精度,对通道和叶栅中含有激波的跨音速流动进行了数值模拟。本文数值试验的计算结果与文献计算结果相符很好。     

多级轴流压气机叶栅内三维紊流流场的数值模拟

对多级轴流压气机叶栅内三维紊流流场进行数值模拟,采用高精度高分辨率的三阶ENN格式以保证对激波的捕捉和对紊流特征的正确模拟,利用LU-SGS隐式解法提高了计算速度,从而构成了一种既准确又高效的多级跨声速轴流压气机紊流流动数值求解系统。重点研究了动静网格的交接方法及相应的动静交接面处理模型。计算了某带进口导叶的三级轴流压气机,计算结果与实验数据吻合较好。     

NND格式在非结构网格中的推广

在张涵信提出的无波动、无自由参数的差分格式（ＮＮＤ格式）的基础上，构造了适用于非结构网格的二阶精度ＮＮＤ有限体积格式，解决了现有非结构网格方法中为抑制激波附近的波动而必须引入含自由参数的人工粘性项的困难，并采用网格自适应技术以提高效率．通过对二维平板激波反射和前台阶在管道内的流动问题的计算，表明本方法可有效地用于Ｅｕｌｅｒ方程的求解．     

湿空气非平衡凝结对压气机叶栅性能影响的数值研究

跨音速流动条件下湿空气中的水蒸气由于快速膨胀而发生非平衡凝结,凝结潜热与跨音速气流耦合会显著改变流场结构。本文建立了湿空气非平衡凝结流动的数学物理模型,对三种工况下压气机叶栅内湿空气凝结流动进行计算分析。计算结果表明:湿空气压气机叶栅流动中,湿空气中水蒸气有可能发生非平衡凝结从而对叶栅通道内的流动产生强烈影响,改变流场内的激波结构,叶栅内压力系数减小最大幅度由1.38减小到0.76。     

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。     

叶栅可压缩流场的数值分析

将一维ＡＵＳＭ＾＋格式与三阶精度ＭＵＳＣＬ格式融合,给出了其在任意风线坐标下的二维形式,采用有限体积法,将ＡＵＳＭ＾＋格式与Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ格式结合,对叶栅可压缩流场进行了数值模拟,典型算例的计算结果与有关献结果相符很好,表明ＲＫ－ＡＵＳＭ＾＋混合格式对叶栅可压缩流场进行数值模拟是可行的。     

平面叶栅气动试验研究进展与展望

平面叶栅气动试验传统上是验证压气机、涡轮的基元性能的主要手段, 近年来国内外研究人员利用平面叶栅开展了大量的流动测量试验, 以揭示叶栅内部复杂流动现象的本质和规律、探索减小叶栅内流动损失的方法. 本文从试验装置、测试技术和研究内容三个方面, 综述了近年来平面叶栅气动试验研究的进展情况. 首先介绍了平面叶栅试验装置的发展及提高平面叶栅试验段流场品质的措施; 其次介绍了叶栅气动试验采用的部分流场测试技术, 包括叶片表面压力场、叶片表面温度场、内流速度场及流场可视化等测试技术, 分析了这些测试技术的进展和存在的问题; 然后梳理了近年来平面叶栅试验研究的相关科学问题及进展, 包括跨音速叶栅中的激波研究, 叶顶间隙泄漏流动研究, 叶型优化研究, 多尺度非定常旋涡结构研究, 振动环境下叶栅流场研究等; 最后对平面叶栅气动试验研究方向进行了展望. 通过了解叶栅内复杂流动现象及本质, 为进一步探索和提高压气机、涡轮的气动性能提供技术支撑.      

跨音速湿空气非平衡凝结流动的数值研究

跨音速流动条件下湿空气中的水蒸气由于快速膨胀而发生非平衡凝结,凝结潜热对跨音速气流进行加热,会显著改变气流的流动特性。通过对商用计算流体动力学软件FLUENT进行二次开发,建立了湿空气非平衡凝结流动的数值求解方法。该方法可用于二维或三维、粘性或无粘、内流或外流的求解中。采用该方法分剐对缩放喷管、透平叶栅以及绕CA-0.1圆弧翼型的湿空气非平衡凝结流动进行了数值分析。计算结果表明：湿空气凝结手l起缩放喷管中的凝结激波、导致叶橱流动中总压降低;对于翼型周围的流动,在相对湿度分别为50％、57．1％、64.1％时,依次计算得到了单激波、五激波、双激波。     

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。     

A new NND difference scheme of second-order in time and space

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅＬａｘ＿ＷｅｎｄｒｏｆｆｓｃｈｅｍｅａｎｄＭａｃＣｏｒｍａｃｋｓｃｈｅｍｅａｒｅｔｗｏｗｅｌｌ＿ｋｎｏｗｎｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｃｈｅｍｅｓｗｈｉｃｈａｒｅｕｔｉｌｉｚｅｄｉｎｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｌｕｉｄｆｌｏｗｓｇｏｖｅｒｎｅｄｂｙＥｕｌｅｒｏｒＮａｖｉｅｒ＿Ｓｔｏｋｅｓｅｑｕａｔｉｏｎｓ.Ｔｈｅｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｔｗｏｓｃｈｅｍｅｓａｒｅ:ｗｈｅｎｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｃｏｎｔａｉｎｓｓｈｏｃｋｓ,ｔｈｅｒｅｗｉｌｌ…     

气体动理学格式研究进展

介绍了近年来气体动理学格式(gas-kinetic scheme, GKS, 亦简称BGK 格式) 的主要研究进展, 重点是高阶精度动理学格式及适合从连续流到稀薄流全流域的统一动理学格式. 通过对速度分布函数的高阶展开和对初值的高阶重构, 构造了时间和空间均为三阶精度的气体动理学格式. 研究表明, 相比于传统的基于Riemann 解的高阶格式, 新格式不仅考虑了网格单元界面上物理量的高阶重构, 而且在初始场的演化阶段耦合了流体的对流和黏性扩散, 也能够保证解的高阶精度. 该研究为高精度计算流体力学(computatial uiddymamics, CFD) 格式的建立提供了一条新的途径. 通过分子离散速度空间直接求解Boltzmann 模型方程,在每个时间步长内将宏观量的更新和微观气体分布函数的更新紧密地耦合在一起, 建立了适合任意Knudsen(kn) 数的统一格式, 相比于已有的直接离散格式具有更高的求解效率. 最后, 本文还讨论了合理的物理模型对数值方法的重要性. 气体动理学方法的良好性能来自于Boltzmann 模型方程对计算网格单元界面上初始间断的时间演化的准确描述. 气体自由运动与碰撞过程的耦合是十分必要的. 通过分析数值激波层内的耗散机制,我们认识到采用Euler 方程的精确Riemann 解作为现代可压缩CFD 方法的基础具有根本的缺陷, 高马赫数下的激波失稳现象不可避免. 气体动理学格式为构造数值激波结构提供了一个重要的可供参考的物理机制.      

一般形式的二维时—空守恒格式

本文将经作者改进后的一维时－空守恒格式推广到了二维情形，得到了一个一般形式的二维Ｅｕｌｅｒ方程时－空守恒格式，该格式对各种不规则几何区域内的流动问题具有很强的适应性，同时它还保留了一维格式的优点。几个典型算例的计算结果表明，本文格式不仅精度高，通用性好，而且对激波等间断具有很高的分辨率。     

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。     

一般坐标系下的二维Euler方程时—空守恒格式

将文「１－３」中的一维时－空守恒格式推广到了二维情形,得到了一般坐标系下的二维Ｅｕｌｅｒ方程时－空守恒格式,并用几个典型算例进行了检验计算,结果表明：本文得到的二维时－空守恒格式保留了一维格式所有的优点,格式简单,通用性强,而且对激波等间断具有很高的分辨率。     

激波-涡干扰声场的数值研究

采用高精度差分格式求解非定常可压缩Navier-Stokes方程,对激波－单涡／双涡相互干扰产生的声场进行了直接数值。详细研究了波－涡干扰声场结构的早期发展阶段,将激波－单涡的计算结果和相应实验进行 对比,并给出近场声压的衰减规律。在此基础上模拟较为复杂的激波－双涡干扰,给出不同旋涡旋转方向下的声场结构。     

Modified Multidimensional Dissipation Scheme on Unstructured Meshes for High-speed Compressible Flow Analysis

A Roe's flux-difference splitting scheme, combining with the entropy fix method according to Van Leer et al., and the H-correction entropy fix method by Pandolfi and D'Ambrosio, is proposed. The presented scheme eliminates unphysical flow behaviors such as a spurious bump of the carbuncle phenomenon that occurs on the bow shock from flow over a blunt body, and the expansion shock generated from flow over a forward facing step. The proposed scheme is further extended to obtain high-order spatial and temporal solution accuracy. The scheme is, in addition, combined with an adaptive meshing technique that generates unstructured triangular meshes to resemble the flow phenomena for reducing computational effort. The entire procedure is evaluated by solving several benchmarks as well as complex steady-state and transient high-speed compressible flow problems.     

Calculation of supersonic steady-state flow in axisymmetric nozzles with an upwind difference scheme

This paper is on the application of the upwind difference scheme proposed by the author^[1] to the calculation of supersonic steady-state flow in axisymmetric nozzles. The upwind scheme is conservative (or weakly conservative), it yields results approximating those from the characteristic relations, and it has corresponding boundary difference schemes. The entropy phenomenon in the calculation of shock reflection on boundaries with the shock-capturing method will be discussed and a correction of this phenomenon will be proposed. From numerical experiments on an arbitrary nozzle, it is seen that the upwind difference scheme, its corresponding boundary scheme, and the improved treatment of shock reflection work well for the calculation of supersonic steady-state flow in axisymmetric nozzles.     

Robustness of the hybrid DRP‐WENO scheme for shock flow computations

This paper describes a new variant of hybrid scheme that is constructed by a wave‐capturing scheme and a nonoscillatory scheme for flow computations in the presence of shocks. The improved fifth‐order upwind weighted essentially nonoscillatory scheme is chosen to be conjugated with the seven‐point dispersion‐relation‐preserving scheme by means of an adaptive switch function of grid‐point type. The new hybrid scheme can achieve a better resolution than the hybrid scheme which is based on the classical weighted essentially scheme. Ami Harten's multiresolution analysis algorithm is applied to density field for detecting discontinuities and setting point values of the switch function adaptively. Moreover, the tenth‐order central filter is applied in smooth part of the flow field for damping dispersion errors. This scheme can promote overall computational efficiency and yield oscillation‐free results in shock flows. The resolution properties and robustness of the new hybrid scheme are tested in both 1D and 2D linear and nonlinear cases. It performs well for computing flow problems with rich structures of weak/strong shocks and large/small vortices, such as the shock‐boundary layer interaction problem in a shock tube, which illustrates that it is very robust and accurate for direct numerical simulation of gas‐dynamics flows. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.