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.     

基于静动态混合重构的DG/FV混合格式

通过比较紧致格式和间断Galerkin(DG)格式, 提出了``静态重构'和``动态重构'的概念,对有限体积方法和DG有限元方法进行统一的表述. 借鉴有限体积的思想, 发展了基于``混合重构'技术的一类新的DG格式, 称之为间断Galerkin有限元/有限体积混合格式(DG/FV格式). 该类混合格式通过适当地扩展模板(拓展至紧邻单元)重构单元内的高阶多项式分布, 在提高精度的同时, 减少了传统DG格式的计算量和存储量. 通过典型一维和二维标量方程的计算发现新的混合格式在有些情况下具有超收敛(superconvergence)性质.      

基于Newton/Gauss-Seidel迭代的DGM隐式方法

在Newton迭代方法的基础上,对高阶精度间断Galerkin有限元方法(DGM)的时间隐式格式进行了研究. Newton迭代 法的优势在于收敛效率高效,并且定常和非定常问题能够统一处理,对于非定常问题无需引入双时间步策略. 为了避免大型矩阵的求逆,采用一步Gauss-Seidel迭代和Matrix-free技术消去残值Jacobi矩阵的上、下三角矩阵,从而只需计算和存储对角(块)矩阵. 对角(块)矩阵采用数值方法计算. 空间离散采用Taylor基,其优势在于对于任意形状的网格,基函数的形式是一致的,有利于在混合网格上推广. 利用该方法,数值模拟了Bump绕流和NACA0012翼型绕流. 计算结果表明,与显式的Runge-Kutta时间格式相比,隐式格式所需的迭代步数和CPU时间均在很大程度上得到减少,计算效率能够提高1～ 2个量级.     

基于非结构/混合网格的高阶精度格式研究进展

尽管以二阶精度格式为基础的计算流体力学(CFD) 方法和软件已经在航空航天飞行器设计中发挥了重要的作用, 但是由于二阶精度格式的耗散和色散较大, 对于湍流、分离等多尺度流动现象的模拟, 现有成熟的CFD 软件仍难以给出满意的结果, 为此CFD 工作者发展了众多的高阶精度计算格式. 如果以适应的计算网格来分类, 一般可以分为基于结构网格的有限差分格式、基于非结构/混合网格的有限体积法和有限元方法,以及各种类型的混合方法. 由于非结构/混合网格具有良好的几何适应性, 基于非结构/混合网格的高阶精度格式近年来备受关注. 本文综述了近年来基于非结构/混合网格的高阶精度格式研究进展, 重点介绍了空间离散方法, 主要包括k-Exact 和ENO/WENO 等有限体积方法, 间断伽辽金(DG) 有限元方法, 有限谱体积(SV) 和有限谱差分(SD) 方法, 以及近来发展的各种DG/FV 混合算法和将各种方法统一在一个框架内的CPR (correctionprocedure via reconstruction) 方法等. 随后简要介绍了高阶精度格式应用于复杂外形流动数值模拟的一些需要关注的问题, 包括曲边界的处理方法、间断侦测和限制器、各种加速收敛技术等. 在综述过程中, 介绍了各种方法的优势与不足, 其间介绍了作者发展的基于"静动态混合重构" 的DG/FV 混合算法. 最后展望了基于非结构/混合网格的高阶精度格式的未来发展趋势及应用前景.     

动态混合网格生成及隐式非定常计算方法

建立了一种基于动态混合网格的非定常数值计算方法. 混合网格由贴体的四边形网格、外场 的多层次矩形网格和中间的三角形网格构成. 当物体运动时，贴体四边形网格随物体运动而 运动，而外场的矩形网格保持静止，中间的三角形网格随之变形；当物体运动位移较大，导 致三角形网格的质量降低，甚至导致网格相交时，在局部重新生成网格. 新网格上的物理量 由旧网格上的物理量插值而得. 为了提高计算效率，采用了双时间步和子迭代相结合的隐式 有限体积格式计算非定常Navier-Stokes方程. 子迭代采用高效的块LU-SGS方法. 利用该 方法数值模拟了NACA0012振荡翼型的无黏和黏性绕流，得到了与实验和他人计算相当一致 的结果.     

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。     

基于动态混合网格的不可压非定常流计算方法

鱼类、昆虫等运动速度较低,对它们的数值模拟需要解决不可压问题.虚拟压缩方法通过在连续性方程中加入压强对虚拟时间的偏导数,从而把压力场和速度场耦合起来,解决了不可压缩流的计算问题.基于动态混合网格技术,利用双时间步方法耦合虚拟压缩方法来解决非定常不可压缩流的计算问题.为了加快每一虚拟时间步内的收敛速度,子迭代采用了高效的块LU-SGS方法,并且耦合了基于混合网格的多重网格方法.利用该方法数值模拟了不同雷诺数下的静止圆柱、振荡圆柱的绕流,得到了与实验和他人计算一致的结果.     

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.     

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.     

基于混合网格多维梯度重构的热流预测方法研究

高超声速气动热环境的数值计算对算法和网格的敏感度极高. 随着高超声速飞行器外形日益复杂, 生成高质量的结构网格时间成本呈指数增加, 难以满足工程应用的需求. 非结构/混合网格因具有很强的复杂外形适应能力, 为了缩短任务周期, 有必要在非结构/混合网格上开展高精度的气动热环境数值计算方法研究. 梯度重构方法是影响非结构/混合网格热流计算精度的重要因素之一. 本文通过引入多维梯度重构方法, 发展了基于常规的非结构/混合网格的高精度热流计算方法, 对典型的高超声速Benchmark算例(二维圆柱)进行了模拟, 并与气动力计算广泛采用的Green-Gauss类方法和最小二乘类方法进行了对比. 计算结果表明, 多维梯度重构方法能有效提高非结构/混合网格热流预测精度, 其鲁棒性和收敛性更好. 最后将多维梯度重构方法应用于常规混合网格的三维圆柱和三维双椭球绕流问题, 得到了与实验值吻合较好的热流计算结果, 展现了良好的应用前景.      

High-order discontinuous Galerkin solver on hybrid anisotropic meshes for laminar and turbulent simulations

Efficient and robust solution strategies are developed for discontinuous Galerkin （DG） discretization of the Navier-Stokes （NS） and Reynolds-averaged NS （RANS） equations on structured/unstructured hybrid meshes. A novel line-implicit scheme is devised and implemented to reduce the memory gain and improve the computational eificiency for highly anisotropic meshes. A simple and effective technique to use the mod- ified Baldwin-Lomax （BL） model on the unstructured meshes for the DC methods is proposed. The compact Hermite weighted essentially non-oscillatory （HWENO） limiters are also investigated for the hybrid meshes to treat solution discontinuities. A variety of compressible viscous flows are performed to examine the capability of the present high- order DG solver. Numerical results indicate that the designed line-implicit algorithms exhibit weak dependence on the cell aspect-ratio as well as the discretization order. The accuracy and robustness of the proposed approaches are demonstrated by capturing com- plex flow structures and giving reliable predictions of benchmark turbulent problems.     

HIGH-ORDER DISCONTINUOUS GALERKIN SOLUTION OF N-S EQUATIONS ON HYBRID MESH

针对层流NS方程发展了混合网格上的高阶间断有限元方法,给出了物面边界高阶近似的具体步骤以及近物面弯曲单元的处理方法。对数值离散产生的非线性方程组采用牛顿迭代进行求解,每个牛顿循环采用预处理广义最小余量法求解产生的大型稀疏线性系统。使用该方法得到了典型算例的数值结果,并跟前人的计算结果进行了比较。计算结果表明,混合网格上应用高阶间断有限元方法求解黏性流动具有很好的应用前景。     

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．     

Solution of the 2‐D shallow water equations with source terms in surface elevation splitting form

A vertex‐centred finite‐volume/finite‐element method (FV/FEM) is developed for solving 2‐D shallow water equations (SWEs) with source terms written in a surface elevation splitting form, which balances the flux gradients and source terms. The method is implemented on unstructured grids and the numerical scheme is based on a second‐order MUSCL‐like upwind Godunov FV discretization for inviscid fluxes and a classical Galerkin FE discretization for the viscous gradients and source terms. The main advantages are: (1) the discretization of SWE written in surface elevation splitting form satisfies the exact conservation property (??‐Property) naturally; (2) the simple centred‐type discretization can be used for the source terms; (3) the method is suitable for both steady and unsteady shallow water problems; and (4) complex topography can be handled based on unstructured grids. The accuracy of the method was verified for both steady and unsteady problems, including discontinuous cases. The results indicate that the new method is accurate, simple, and robust. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

A finite volume unstructured multigrid method for efficient computation of unsteady incompressible viscous flows

An unstructured non‐nested multigrid method is presented for efficient simulation of unsteady incompressible Navier–Stokes flows. The Navier–Stokes solver is based on the artificial compressibility approach and a higher‐order characteristics‐based finite‐volume scheme on unstructured grids. Unsteady flow is calculated with an implicit dual time stepping scheme. For efficient computation of unsteady viscous flows over complex geometries, an unstructured multigrid method is developed to speed up the convergence rate of the dual time stepping calculation. The multigrid method is used to simulate the steady and unsteady incompressible viscous flows over a circular cylinder for validation and performance evaluation purposes. It is found that the multigrid method with three levels of grids results in a 75% reduction in CPU time for the steady flow calculation and 55% reduction for the unsteady flow calculation, compared with its single grid counterparts. The results obtained are compared with numerical solutions obtained by other researchers as well as experimental measurements wherever available and good agreements are obtained. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

Compact Third-Order Multidimensional Upwind Scheme for Navier–Stokes Simulations

A new compact third-order scheme for the solution of the unsteady Navier--Stokes equations on unstructured grids is proposed. The scheme is a cell-based algorithm, belonging to the class of Multidimensional Upwind schemes, which uses a finite-element reconstruction procedure over the cell to achieve third order (spatial) accuracy. Derivation of the scheme is given. The asymptotic accuracy, for steady/unsteady inviscid or viscous flow situations, is proved using numerical experiments. These results are compared with the performances of a second-order multidimensional upwind scheme. The new compact high-order discretization proves to have excellent parallel scalability, which makes it well suited for large-scale computations on parallel supercomputers. Our studies show clearly the advantages of the new compact third-order scheme compared with the classical second-order Multidimensional Upwind scheme. Received 29 October 2001 and accepted 21 March 2002