不可压N-S方程高效算法及二维槽道湍流分析

构造了基于非等距网格的迎风紧致格式,并将其与三阶精度的Adams半隐方法相结合,构造了求解不可压N－S方程高效算法。该算法利用基于交错网格的离散形式的压力Poisson方程求解压力项,解决了边界处的残余散度问题;同时还利用快速Fourier变换将方程的隐式部分解耦,离散后的代数方程组利用追赶法求解,大大减少了计算量。通过对二维槽道流动的数值模拟,证实了所构造的数值方法具有精度高,稳定性好,能抑制混淆误差等优点,同时具有很高的计算效率,是进行壁湍流直接数值模拟的有效方法。在数值模拟的基础上对二维槽道流动进行了分析,得到了Reynolds数从6000到15000的二维流动饱和态解（所谓“二维槽道湍流”）;定性及定量结果均与他人的数值计算结果吻合十分理想。对流场进行了分析,指出了“二维湍流”与三维湍流统计特性的区别。     

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。     

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。     

高精度边界格式的研究

利用有精确解的Ｒｉｎｇｌｅｂ流动，构造了对流场数值解精度进行检验的“Ｒｉｎｇｌｅｂ机器”．重点讨论了边界格式对流场数值解的影响及高精度边界格式的建立．计算表明，在场内应用二阶精度格式情况下，采用二阶精度的边界格式所得到的流场解精度将大大高于采用一阶边界格式所得到的精度．为提高流场解的精度，不仅需要高精度的边界格式，还必须注意边界格式与场内格式的匹配．计算还表明，采用特征线修正的方法能有效地提高边界处理的精度     

基于多块对接网格的隐式气体运动论统一算法应用研究

基于玻尔兹曼模型方程的气体运动论统一算法(gas kinetic unified algorithm,GKUA) 给出了一种能模拟从连续流到自由分子流跨流域空气动力学问题的途径. 该算法采用传统计算流体力学技术将分子运动和碰撞解耦处理,若采用显式格式将受格式稳定条件限制,在模拟超声速流动尤其是近连续流和连续流区的流动时计算效率较低. 为了提高计算效率,扩展其工程实用性,采用上下对称高斯-赛德尔(LU-SGS) 方法和有限体积法构造了求解玻尔兹曼模型方程的隐式方法,同时在物理空间采用能处理任意连接关系的多块对接网格技术. 通过模拟近连续过渡区并排圆柱绕流问题,计算结果与直接模拟蒙特卡洛方法模拟值吻合较好,验证了该方法用于跨流域空气动力计算的可靠性与可行性.      

改进虚拟边界算法在超声速流动问题求解中的应用

提出了一种改进的虚拟单元浸没边界法, 并与一种高阶格式的有限差分算法相结合, 运用于求解超声速复杂几何绕流问题.该算法的核心思想在于在固体边界的内部和外部分别施加满足边界关系的作用点, 使得几何边界离散更加细化, 起到了壁面附近网格局部加密的作用.采用源空间内流体点作为反距离插值算法的重构点, 有效避免了插值点数目过少而与作用点相重合情况.通过对二维激波反射现象 (马赫数为 2.81) 和三维超声速球体绕流问题 (马赫数为 1.2) 的数值模拟, 与实验结果对比表明, 本文改进算法相对一般的虚拟边界法来说能显著提高数值精度, 减小计算误差.计算结果揭示了球体绕流中剪切层、压缩波系和尾迹的相互作用导致自由剪切层失稳的机理.剪切层厚度和湍流雷诺脉动经历了线性增长、大幅度震荡和小幅度波动三个阶段, 导致剪切层表面褶皱因子变化呈指数规律增长.其湍流结构表现出明显的各向异性, 具体在流向雷诺正应力在湍流脉动中占主导地位, 激波的压缩作用对不同方向雷诺正应力的影响存在空间迟滞效应.      

改进虚拟边界算法在超声速流动问题求解中的应用

提出了一种改进的虚拟单元浸没边界法,并与一种高阶格式的有限差分算法相结合,运用于求解超声速复杂几何绕流问题.该算法的核心思想在于在固体边界的内部和外部分别施加满足边界关系的作用点,使得几何边界离散更加细化,起到了壁面附近网格局部加密的作用.采用源空间内流体点作为反距离插值算法的重构点,有效避免了插值点数目过少而与作用点相重合情况.通过对二维激波反射现象(马赫数为2.81)和三维超声速球体绕流问题(马赫数为1.2)的数值模拟,与实验结果对比表明,本文改进算法相对一般的虚拟边界法来说能显著提高数值精度,减小计算误差.计算结果揭示了球体绕流中剪切层、压缩波系和尾迹的相互作用导致自由剪切层失稳的机理.剪切层厚度和湍流雷诺脉动经历了线性增长、大幅度震荡和小幅度波动三个阶段,导致剪切层表面褶皱因子变化呈指数规律增长.其湍流结构表现出明显的各向异性,具体在流向雷诺正应力在湍流脉动中占主导地位,激波的压缩作用对不同方向雷诺正应力的影响存在空间迟滞效应.     

射流元件控制通道流动的三维数值模拟

针对一种射流元件控制通道的复杂结构 ,采用分块对接技术和网格“融合”技术生成计算网格 ,并运用五步显式格式的 Runge-Kutta法和多重网格法对含全 N-S方程、RNG k-ε湍流模型和两层分区壁面模型的流动模型进行数值求解。通过对控制通道内部流动的数值模拟和流场特性分析 ,提出了改进方案     

高雷诺数下求解NS方程的无网格算法

提出了一种适合高雷诺数NS方程求解的隐式无网格算法。针对高雷诺数粘性流动的特点,在附面层内的粘性影响区域采用法向层次推进布点的方法形成离散点云,在附面层外的计算区域内实行填充式布点的方法形成离散点云。根据附面层内外点云的不同构造特点,推导出运用格林公式和最小二乘曲面拟合方法求取空间导数的统一形式,在此基础上运用AUSM _up格式求得数值通量,并引入BL湍流模型对雷诺平均NS方程的湍流应力项进行封闭。时间推进格式方面,采用了计算效率较高的隐式高斯-赛德尔迭代算法。为了验证本文方法的计算精度和鲁棒性,对NACA0012翼型低速流动、RAE2822翼型跨音速绕流和二维圆柱的分离流动进行了数值模拟。     

基于非结构/混合网格模拟黏性流的高阶精度DDG/FV混合方法

间断Galerkin有限元方法(discontinuous Galerkin method, DGM) 因具有计算精度高、模板紧致、易于并行等优点, 近年来已成为非结构/混合网格上广泛研究的高阶精度数值方法. 但其计算量和内存需求量巨大, 特别是对于网格规模达到百万甚至数千万的大型三维实际复杂外形问题, 其计算量和存储量对计算资源的消耗是难以承受的. 基于“混合重构”的DG/FV 格式可以有效降低DGM 的计算量和存储量. 本文将DDG 黏性项离散方法推广应用于DG/FV 混合算法, 得到新的DDG/FV混合格式, 以进一步提高DG/FV混合算法对于黏性流动模拟的计算效率. 通过Couette流动、层流平板边界层、定常圆柱绕流, 非定常圆柱绕流和NACA0012 翼型绕流等二维黏性流算例, 优化了DDG 通量公式中的参数选择, 验证了DDG/FV 混合格式对定常和非定常黏性流模拟的精度和计算效率, 并与广泛使用的BR2-DG 格式的计算结果和效率进行对比研究. 一系列数值实验结果表明, 本文构造的DDG/FV混合格式在二维非结构/混合网格的Navier-Stokes 方程求解中, 在达到相同的数值精度阶的前提下, 相比BR2-DG格式, 对于隐式时间离散的定常问题计算效率提高了2 倍以上, 对于显式时间离散的非定常问题计算效率提高1.6 倍, 并且在一些算例中, 混合格式具有更优良的计算稳定性. DDG/FV 混合格式提升了计算效率和稳定性, 具有良好的应用前景.      

随机有限元分析的二级区域分解并行求解算法

采用蒙特卡罗模拟(MCS)和加权积分法对二维问题进行随机有限元分析。尽管MCS方法对任何有确定解的问题都具有求解精度高的优点,但由于求解所需的计算量巨大使其应用受到限制。利用并行求解技术可有效地处理这种密集型计算问题。基于有限元分裂对接法(FETI)的并行特性并利用预处理共轭梯度法(PCG)的求解高效性,结合整体子区域实现(GSI-PCG)和FETI法,提出二级求解算法,并在工作站机群上实现了数值算例。算例计算结果表明本文GSI(PCG)-FETI算法具有较高的并行加速比和并行效率,具有良好的性能,可有效地进行二维问题的随机有限元分析。     

高雷诺数湍流风场大涡模拟的并行直接求解方法

在环境流体力学中,风场是风沙流、风雪流等自然环境特性问题研究的动力源和基础. 通常采用壁湍流模型进行风场大涡模拟(large eddy simulation, LES)计算,但受到计算规模的限制使得 高雷诺数风场的模拟计算难以实现. 并行计算技术是解决大规模高雷诺数风场大涡模拟的关键技术之一. 在不可压湍流风场的LES模拟中,压力泊松方程的并行计算技术是进行规模并行计算的困难点. 根据风场流动模拟计算的特点,采用水平网格等距而垂直于地面网格非等距,在解决规模并行计算中求解压力泊松方程的难点问题时,利用FFT解耦三维泊松方程使其变为垂向的一维三对角方程, 并利用可并行的三对角方程PDD求解技术,可建立三维泊松方程的直接并行求解技术. 结合其它容易并行的动量方程计算,本文建立风场LES模拟的并行直接求解方法(parallel direct method-LES, PDM-LES). 在超级计算机上对新方法进行并行效率测试,并行计算效率达到90${\%}$. 新的方法可用于进行湍流风场大涡模拟的大规模并行计算. 计算结果表明,湍流风场瞬时速度分布近壁面存在条带状的拟序结构,平均场的速度分布符合速度对数律特性,风场湍流特性基本合理.      

基于并行计算和遗传算法的钢-UHPC华夫板组合梁优化设计

为实现钢-超高性能混凝土(UHPC)华夫板组合梁结构快速经济合理的设计，提出了基于并行计算与遗传算法的结构优化设计方法。通过Python建立了并行计算平台，使Abaqus和Python能够执行同步数值模拟和数据处理，以成本最小化为目标，采用遗传算法对钢-UHPC华夫板组合梁进行了优化，验证了所提方法的可行性。结果表明，遗传算法中密集的分析任务可以并行化并分配给不同的计算资源以提高计算效率；使用并行计算可以提高8.6倍的优化效率；并行计算和串行计算的CPU平均使用率分别为82%和18%。本文方法的成功应用可为其他类型结构的优化设计提供参考。     

A new method for computing turbulence in compressible laminar-turbulent transition and boundary layers--PSE＋DNS

A new method for computing laminar-turbulent transition and turbulence in compressible boundary layers is proposed. It is especially useful for computation of laminar-turbulent transition and turbulence starting from small-amplitude disturbances. The laminar stage, up to the beginning of the breakdown in laminar-turbulent transition, is computed by parabolized stability equations (PSE). The direct numerical simulation (DNS) method is used to compute the transition process and turbulent flow, for which the inflow condition is provided by using the disturbances obtained by PSE method up to that stage. In the two test cases incfuding a subsonic and a supersonic boundary layer, the transition locations and the turbulent flow obtained with this method agree well with those obtained by using only DNS method for the whole process. The computational cost of the proposed method is much less than using only DNS method.     

气体动理学格式与多尺度流动模拟

介绍了气体动理学格式(GKS)的基本构造原理及其在两种典型多尺度流动模拟中的应用。GKS利用介观BGK方程的跨尺度演化解来构造网格界面上的数值通量,从而发展出能随计算网格尺度变化自动切换物理模型的多尺度方法。对湍流这种宏观多尺度流动,发展了高精度GKS方法并成功用于低雷诺数湍流的直接数值模拟;为实现对高雷诺数湍流的高效精细模拟,基于拓展BGK方程和已有的RANS,LES模型建立了新型多尺度模拟框架。对跨流域稀薄流动,发展了适合大规模并行的三维统一气体动理学格式(UGKS),并建立了适合轴对称稀薄流动的UGKS。研究表明,GKS在多尺度流动高效模拟中的优异性能,具有很好的发展前景。     

利用高阶分区并行算法实现直接数值模拟

在基于MPI环境的分布式内存机群上,结合高阶WENO-RF格式的特点,实现了5阶WENO-RF格式的分区并行计算方法,计算精度不受分区和节点数量影响。使用该分区并行算法以三维可压缩时间发展混合层为例进行了直接数值模拟,验证了并行算法的准确性,表明机群并行运算可以显著扩展微机的计算能力,并行效率高,减少了计算的墙上时间,适合在小型高速局域网内进行大规模数值模拟计算。     

High-resolution multi-code implementation of unsteady Navier–Stokes flow solver based on paralleled overset adaptive mesh refinement and high-order low-dissipation hybrid schemes

The low-dissipation high-order accurate hybrid up-winding/central scheme based on fifth-order weighted essentially non-oscillatory (WENO) and sixth-order central schemes, along with the Spalart--Allmaras (SA)-based delayed detached eddy simulation (DDES) turbulence model, and the flow feature-based adaptive mesh refinement (AMR), are implemented into a dual-mesh overset grid infrastructure with parallel computing capabilities, for the purpose of simulating vortex-dominated unsteady detached wake flows with high spatial resolutions. The overset grid assembly (OGA) process based on collection detection theory and implicit hole-cutting algorithm achieves an automatic coupling for the near-body and off-body solvers, and the error-and-try method is used for obtaining a globally balanced load distribution among the composed multiple codes. The results of flows over high Reynolds cylinder and two-bladed helicopter rotor show that the combination of high-order hybrid scheme, advanced turbulence model, and overset adaptive mesh refinement can effectively enhance the spatial resolution for the simulation of turbulent wake eddies.     

A simple hybrid finite volume solver for compressible turbulence

A simple, explicit, hybrid finite volume method for simulating compressible turbulence is developed by combining a fourth‐order central scheme and a shock‐capturing simple low‐dissipation advection upstream splitting method. The total flux on each of the cell faces is computed as a weighted average of central/nondissipative and upwind/dissipative fluxes. The weights are determined using an unphysical oscillation sensor in addition to a more traditional discontinuity sensor used in earlier studies. Shocks are well captured, but overshoots in density are predicted around contact discontinuities that are normal to the flow. The use of the latter sensor effectively prevents these overshoots from generating spurious oscillations that travel away from the contact lines. The efficacy of the proposed method for direct or large‐eddy simulations of supersonic turbulence is established using several canonical test problems. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

岩质圆形隧洞围岩应力场弹塑性新解

针对动态接触问题的有限元并行计算，提出了一种新的接触算法. 新算法引入局部拉氏 乘子技术来计算接触力. 由于同时考虑了无穿透的接触约束条件和相邻接触对的相互影响， 较之广泛使用的罚参数法，新算法使接触约束条件和系统平衡方程得到更充分的满足. 虽然 为提高接触计算精度而在局部采用了迭代技术，但算法仍然具有较高的效率，且与显式时间 积分方案完全相容. 此外，通过构造专门的区域分解方案，实现了将现有为串行程序开发的 搜索算法平滑移植到并行环境的目标. 数值算例表明，所提出的接触算法具有很好的并行性， 在保证了接触问题并行计算精度的同时，取得了满意的并行效率.     

Development and assessment of algorithms for DEM-LES simulations of fluidized bed

The use of high-fidelity Discrete Element Method (DEM) coupled with Computational Fluid Dynamics (CFD) for particle-scale simulations demands extensive simulation times and restricts application to small particulate systems. DEM-CFD simulations require good performance and satisfactory scalability on high-performance computing platforms. A reliable parallel computing strategy must be developed to calculate the collision forces, since collisions can occur between particles that are not on the same processor, or even across processors whose domains are disjoint. The present paper describes a parallelization technique and a numerical verification study based on a number of tests that allow for the assessment of the numerical performance of DEM used in conjunction with Large-Eddy Simulation (LES) to model dense flows in fluidized beds. The fluid phase is computed through solving the volume-averaged four-way coupling Navier-Stokes equations, in which the Smagorinsky sub-grid scale tensor model is used. Furthermore, the performance of Sub-Grid Scale (SGS) turbulence models applied to Fluidized Bed Reactor (FBR) configurations has been assessed and compared. The developed numerical solver represents an interesting combination of techniques that work well for the present purpose of studying particle formation in fluidized beds.