基于HLL-HLLC的高阶WENO格式及其应用研究

HLL-HLLC格式能够克服HLLC在强激波附近的激波不稳定现象,并且保持了HLLC的低耗散特性,是一种适合更大马赫数范围的近似黎曼求解器。本文从RANS方程出发,将HLL-HLLC近似黎曼求解器结合五阶WENO重构,实现了对无粘通量的高阶离散;同时,采用完全守恒形式的四阶中心差分格式处理粘性项,建立了RANS方程的高阶数值求解格式。通过对四个经典算例,钝头体、ONERA M6机翼、DLR F6-WB翼身组合体和DLR F6-WBNP复杂外形的数值模拟,考察了两种WENO改进格式在复杂流场中的表现,研究了高阶格式的收敛特性;给出了在复杂流动中WENO自由参数的推荐值,以增强求解的收敛性。算例结果表明,本文构造的高阶格式鲁棒性好,能够显著改善激波位置和激波强度,捕获更丰富的流场细节,满足复杂工程应用需求。     

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。     

无粘可压缩流动的改进高精度方法

为更准确捕捉复杂流场的流动细节,通过对WENO格式的光滑因子进行改进,发展了一种新的五阶WENO格式。对三阶ENO格式进行加权可以得到五阶WENO格式,但是不同的加权处理,WENO格式在极值处保持加权基本无振荡的效果不同,本文构造了二阶精度的局部光滑因子,及不含一阶二阶导数的高阶全局光滑因子,从而实现WENO格式在极值处有五阶精度。基于改进五阶WENO格式,对一维对流方程、一维和二维可压缩无粘问题进行算例验证,并与传统WENO-JS格式和WENO-Z格式进行比较。计算结果表明,改进五阶WENO格式有较高的精度和收敛速度,有较低的数值耗散,能有效捕捉间断、激波和涡等复杂流动。     

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。     

高精度非线性格式WCNS的分析研究与其应用

首先将Fourier方法推广于高维方向研究了五阶精度WCNS的特性,并与其他高阶格式进行比较。分析结果表明WCNS的高精度特性普遍接近甚至好于迎风偏置五阶显式格式EUW-5与Pade′标准格式。然后开展了WCNS的应用研究,采用高效率的WCNS-E-5数值模拟了含强激波的高维复杂流场。算例包括二维高超声速边界层对自由流扰动波的吸收问题以及三维球头绕流问题。计算结果反映出WCNS-E-5对激波等间断的良好捕捉能力,图像清晰光滑,数据准确可靠。     

一种改进的中心-WENO混合格式

基于中心差分与WENO格式混合可以改善WENO格式耗散特性的思想,在理论推导的基础上,给出了一种用于激波捕捉计算的守恒型中心-WENO混合格式,该混合格式可视为三阶WENO格式和二阶中心差分格式的加权平均。在数值研究现有加权函数的基础上,给出了适用于该混合格式的加权函数,使其能够自适应地调整数值耗散以捕捉激波间断。数值结果表明:与三阶WENO格式相比,混合格式HY3_4能够降低数值耗散,更陡峭地捕捉间断,对复杂流场结构具有较高的分辨率;混合格式HY3_5对于包含高压比激波间断流场结构,能给出无振荡、低耗散的结果。     

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。     

利用多小波自适应格式求解流体力学方程

高阶计算格式的高精度、高分辨率对提高复杂流场的计算水平有重要的意义,为了提高AUSMPW格式对流场计算中激波等间断的分辨率,减小数值振荡,在原有AUSMPW格式的基础之上,利用多小波对函数进行多尺度分解,并采取阈值的方法生成自适应网格,提出了一种新的基于多小波自适应算法的AUSMPW格式,理论上可以达到任意阶精度. 将所得的压强、密度与原格式、TVD格式及WENO格式的计算结果进行了比较分析. 结果表明改进后的AUSMPW格式较原格式具有更高的分辨率、更强的捕捉间断的能力及更低的数值耗散.      

求解双曲守恒律方程的WENO型熵相容格式

通过在单元交界面处进行高阶WENO重构,得到了一种求解双曲型守恒律方程的WENO型熵相容格式。用该格式对一维Burgers方程和Euler方程进行数值模拟,结果表明,该格式具有高精度、基本无振荡性等特点。     

基于Level Set的多维双曲守恒律标量方程的激波追踪方法

结合四阶CWENO(Cemral Weighted Essentially Non-Oscillatory)格式、四阶NCE(Natural Continuous Extensions)Runge-Kutta法和Level Set方法，很好地处理了一维双曲守恒律标量方程的激波追踪问题。针对二维双曲守恒律标量方程，成功地用五阶WENO格式、非TVD格式的四阶Runge-Kutta方法和Level Set方法进行激波追踪。将所得的数值解与标准的高阶激波捕捉方法所得的数值解进行比较，说明基于Level Set的激波追踪方法的有效性与逐点收敛性。     

附面层修正应用于无网格算法的研究

研究了无网格算法中的附面层修正方法,在一种布置点云方法的基础上,发展一种曲面拟合的重构方式构造流场物理量;找出了无网格算法与网格算法之间的联系,成功将AUSM＋-up格式移植到无网格算法当中,并应用于计算欧拉方程的数值通量;计算中采用了一种改进的隐式时间推进,并引入当地时间步长和残值光顺等加速收敛措施,成功的将附面层修...     

A modified multidimensional dissipation technique for AUSM+ on triangular grids

The carbuncle phenomenon normally occurs numerically in the prediction of shock waves in flow computation. Most efforts to remedy this problem concern numerical treatment of the bow shock wave while many evidences declare that the carbuncle phenomenon problem may be unsolvable. This paper studies the numerical instability of the AUSM⁺ scheme on two-dimensional structured triangular grids. By examining several test cases, it is found that the scheme cannot satisfy robustness against shock-induced anomalies. A more stable version of the AUSM⁺ scheme (so-called AUSM^+δ scheme) is developed by applying the multidimensional dissipation technique to the numerical dissipation term in order to alleviate the shock instability. The dissipation mechanism against perturbations is investigated by applying a linearised discrete analysis to the odd--even decoupling problem. The recursive equations show that the AUSM^+δ scheme is less sensitive to such anomalies than the original scheme. Finally, the scheme is further extended to achieve the second-order solution accuracy and evaluated by solving several test cases.     

考虑横法向热应变的C~0型Reddy板理论和三角形板单元

考虑横法向热变形,建议了C0型Reddy理论,并用于分析复合材料层合/夹层板热膨胀问题。虽然考虑了横法向热应变,但不增加额外的位移变量。此理论位移场不含有横向位移一阶导数,构造有限元时仅需C0插值函数。基于这一模型,运用虚位移原理推导了复合材料板平衡方程以及构造了6节点三角形板单元,并分析了简支复合材料层合/夹层板的热膨胀问题。数值结果表明,建立的模型能准确分析复合材料层合/夹层板热膨胀问题,而忽略横法向热应变的理论分析热膨胀问题误差较大。     

Some bounded results of θ(t)-type singular integral operators

Let B be a Banach space in UMD with an unconditional basis. The boundedness of the θ(t)-type singular integral operators in L _B ^p (R ⁿ), (1≤p<+∞) and H _B ¹ (R ⁿ) spaces are discussed. Foundation item: the Education Commission of Shandong Province (J98P51) Biography: Zhao Kai (1960-)     

基于改进位移模式的一维C1有限元超收敛算法

提出了基于改进位移模式的一维C1有限元超收敛算法。利用单元内部需满足平衡方程的条件,推导了超收敛计算解析公式的显式,即将高阶有限元解的位移模式用常规有限元解的位移模式表示。用常规有限元解的位移模式与高阶有限元解的位移模式之和构造新的位移模式。采用积分形式推导了单元刚度矩阵。该算法在前处理阶段使用了超收敛计算公式,在常规试函数的基础上,增加了高阶试函数,使得单元内平衡方程的残差减少,从而达到提高精度的目标。对于Hermite单元,本文的结点和单元的位移、导数都达到了h4阶的超收敛精度。     

Shell Buckling of Imperfect Multiwalled Carbon Nanotubes—Experiments and Analysis

Experiments were conducted in which multiwalled carbon nanotubes were subjected to uniaxial compression and shell-buckling loads were measured. A comparison with existing theoretical models shows that the predictions are about 40–50% smaller than the experimentally measured buckling loads. This is in contrast to the classical elastic shell studies in which the experimental values were always substantially lower than the predicted values due to imperfection sensitivity. It is proposed that the discrepancy between the predicted and measured value might be due to imperfections in the multiwalled nanotubes in the form of sp ³ bonds between the tube walls, which introduce shear coupling between them. An analytical model is presented to estimate the effect of the shear coupling on the critical buckling strain, which shows that the contribution from shear coupling increases linearly with the effective shear modulus between the walls. Further, this contribution increases with the number of walls; the increment from each additional wall progressively decreases.     

无网格伽辽金法求解平面偶应力问题

提出采用无网格伽辽金法(EFGM)求解偶应力问题,以避免有限元求解中因C¹连续要求可能引起的不便。推导了基于二次基和移动最小二乘技术的EFGM计算公式,通过计算受轴向均匀拉伸的带中心小孔无限大板和细长杆的偶应力问题,对所提方法进行了数值验证,与解析解相比结果令人满意,此外还讨论了节点密度和权函数对计算结果的影响。数值结果表明,所提算法可有效地求解平面偶应力问题。     

K+ uptake by root systems grown in soil under salinity: I. A mathematical model

A novel theoretical model is proposed for K⁺ uptake by intact root systems from saline soil considering interactions with Na⁺, Ca²⁺ and Mg²⁺. The model assumes radial movement of ions towards the root governed by advection and diffusion flux mechanisms, and chemical exchange of the four cations according to Gapon isotherms, with Cl^? as the accompanying anion. Influx of K⁺ to the root surface is assumed as a function of its concentration in the soil solution at the root. This influx is governed by a saturable-cooperative term and a linear term for low and high K⁺ concentrations, respectively. Influx of Na⁺, above a critical value of its concentration, increases linearly with its concentration in the soil solution at the root surface. Uptake of Ca^{+ 2+} is controlled by the balance between influxes of anions and cations, which induces efflux of H⁺ or HCO ₃ ^? , and interacts with calcite in a calcareous soil. The model may provide information about the behavior of ions at the root-soil interface which cannot be measuredin situ.     

Al-DLC薄膜结构及其在水介质下摩擦学性能研究

采用磁控溅射技术,以Al为溅射靶材,甲烷为溅射气体,在不同射频功率下制备了一系列Al含量不同的类金刚石碳基薄膜(AL-DLC).分析了Al含量对薄膜成分、结构及机械性能的影响,并探讨了其在空气和水介质下的摩擦磨损行为.结果表明:Al掺杂使得薄膜中sp~3-C的生长受到抑制,sp~2-C增加,表面吸附水分子能力变强,在水介质摩擦过程中的剪切阻力变小,从而使得摩擦磨损减小.通过调整射频功率可以对薄膜中Al含量进行调控,在最优Al含量时,Al-DLC在空气和水介质中均具有优异的摩擦学性能.