NUMERICAL SIMULATION FOR NAVIER-STOKES EQUATIONS BY PROJECTION/CHARACTERISTIC-BASED OPERATOR-SPLITTING FINITE ELEMENT METHOD

提出了一种求解非定常不可压缩纳维-斯托克斯方程（N-S方程）的新型有限元法：基于投影法的特征线算子分裂有限元法.在每一个时间层上将N-S方程分裂成扩散项、对流项、压力修正项.对流项采用多步显式格式,且在每一个对流子时间步内采用更加精确的显式特征线-伽辽金法进行时间离散,空间离散采用标准伽辽金法.应用此算法对平面泊肃叶流、方腔流和圆柱绕流进行数值模拟,所得结果与基准解符合良好.尤其对于Re=10000的方腔流,给出了方腔中分离涡发展和运动的计算结果,并发现在该雷诺数下存在周期解,表明该算法能较好地模拟流体流动中的小尺度物理量以及流场中分离涡的运动.     

非定常不可压N-S方程的最小二乘算子分裂有限元法数值求解

采用最小二乘算子分裂有限元法求解非定常不可压N-S(Navier-Stokes)方程,即在每个时间层上采用算子分裂法将N-S方程分裂成扩散项和对流项,这样既能考虑对流占优特点又能顾及方程的扩散性质。扩散项是一个抛物型方程,时间离散采用向后差分格式,空间离散采用标准Galerkin有限元法。对流项的时间项采用后向差分格式,非线性部分用牛顿法进行线性化处理,再用最小二乘有限元法进行空间离散,得到对称正定的代数方程组系数矩阵。采用Re=1000的方腔流对该算法的有效性进行检验,表明其具有较高的精度,能够很好地捕捉流场中的涡结构。同时,对圆柱层流绕流进行了数值研究,通过流线图、压力场、阻力系数、升力系数及斯特劳哈数等结果的分析与对比,表明本文算法对于模拟圆柱层流绕流是准确和可靠的。     

粘性流基于特征线的四阶Runge-Kutta有限元法

对于二维不可压缩粘性流,通过沿流线方向的坐标变换,推导了无对流项的二维N-S(Navier-Stokes)方程。采用四阶Runge-Kutta法对N-S方程进行时间离散,并沿流线进行Taylor展开,得到显式的时间离散格式,然后利用Galerkin法对其进行空间离散,得到了高精度的有限元算法。利用本文算法对方腔驱动流和圆柱绕流进行了数值计算,通过对时间步长、网格尺寸和流场区域的计算分析,进一步验证了本文算法相比经典CBS法在时间步长、收敛性、耗散性和计算精度方面更具有优势。     

粘性流基于特征线的四阶Runge-Kutta有限元法

对于二维不可压缩粘性流，通过沿流线方向的坐标变换，推导了无对流项的二维N-S（Navier-Stokes）方程。采用四阶Runge-Kutta法对N-S方程进行时间离散，并沿流线进行Taylor展开，得到显式的时间离散格式，然后利用Galerkin法对其进行空间离散，得到了高精度的有限元算法。利用本文算法对方腔驱动流和圆柱绕流进行了数值计算，通过对时间步长、网格尺寸和流场区域的计算分析，进一步验证了本文算法相比经典CBS法在时间步长、收敛性、耗散性和计算精度方面更具有优势。     

AN APPLICATION OF THE CBS SCHEME IN THE FLUID-MEMBRANE INTERACTION

提出了一种不可压缩流体与弹性薄膜耦合问题的特征线分裂有限元解法. 首先, 给出了流场和结构的控制方程. 然后, 对流场、结构以及流固耦合的具体求解过程进行了描述. 其中, 流场求解采用改进特征线分裂方法和双时间步方法相结合的隐式求解方式, 并利用艾特肯加速法对每个时间步的迭代收敛过程进行了加速处理;结构部分的空间离散和时间积分分别采用伽辽金有限元方法和广义方法, 并通过牛顿迭代法对所得非线性代数方程组进行了求解;流场网格的更新采用弹簧近似法;流场、结构两求解模块之间采用松耦合方式.最后, 采用该方法对具有弹性底面的方腔顶盖驱动流问题进行了求解, 验证了算法的准确性和稳定性.此外, 计算结果表明艾特肯加速法可以显著地提高双时间步方法迭代求解过程的收敛速度.     

基于全隐式无分裂算法求解三维N-S方程

基于多块结构网格,本文研究和发展了三维N-S方程的全隐式无分裂算法.对流项的离散运用Roe格式,粘性项的离散利用中心型格式.在每一次隐式时间迭代中,运用GMRES方法直接求解隐式离散引起的大型稀疏线性方组.为了降低内存需求以及矩阵与向量之间的运算操作数,Jacobian矩阵的一种逼近方法被应用在本文的算法之中.计算结果与实验结果基本吻合,表明本文的全隐式无分裂方法是有效和可行的.     

高黏性流动有限元模拟的迭代稳定分步算法

分步算法已被广泛应用于数值求解不可压缩N-S方程. Guermond等认为时间步长必须大于 某个临界值方能使算法稳定. 然而在高黏性流动模拟中，已有的显式和半隐式分步算法由于 其显式本质，必须采用小时间步长计算，不但降低了计算效率，同时也常与为使分步算法稳 分步算法已被广泛应用于数值求解不可压缩N-S方程. Guermond等认为时间步长必须大于 某个临界值方能使算法稳定. 然而在高黏性流动模拟中，已有的显式和半隐式分步算法由于 其显式本质，必须采用小时间步长计算，不但降低了计算效率，同时也常与为使分步算法稳 定必须满足的最小时间步长要求冲突. 本文目的是构造一种含迭代格式的分步算法，它能在 保证精度的前提下大幅度地增大时间步长. 方腔流和平面Poisseuille流数值计算结果证实 了此特点，该方法被有效应用于充填流动过程的数值模拟.     

方柱绕流的数值模拟

采用有限差分法,对雷诺数为2.2×10~4的方柱绕流进行了大涡模拟(简称LES)。运用时间分裂控制(Split-Operator)法,将N-S方程分为对流步、扩散步和传播步。对Smagorinsky假设在近壁区的发散问题用两层模型进行处理。对流项用迎风—中心差分格式模拟,压力方程用SOR法迭代求解。计算得到的沿对称线的时均顺流向速度与文献上的实验结果进行了比较,结果吻合较好,同时还对绕方柱流的流场结构进行了分析研究。     

谱元法和高阶时间分裂法求解方腔顶盖驱动流

详细推导了谱元方法的具体计算公式和时间分裂法的具体计算过程 ;对一般的时间分裂法进行了改进 ,即对非线性步分别用 3阶 Adams-Bashforth方法和 4阶显式 Runge-Kutta法 ,粘性步采用 3阶隐式 Adams-Moulton形式 ,提高了时间方向的离散精度 ,同时还改进了压力边界条件 ,采用 3阶的压力边界条件 ;利用改进的时间分裂方法分解不可压缩 Navier-Stokes方程 ,并结合谱元法计算了移动顶盖方腔驱动流 ,提高了方法可以计算的 Re数 ,缩短了达到收敛的时间 ,并将结果与基准解进行比较 ;分析了移动顶盖方腔驱动流中 Re数对流场分布的影响。     

高雷诺数流动的加罚有限元数值分析

在传统的伽辽金变分为有限元数值逼近思想的基础上，本文采用改进的加罚有限元法对粘性不可压缩紊流动进行数值计算。在高雷诺数流动时，为避免对流效应过强产生的数值计算的振荡，对标准权函数引入迎风修正项，同时采用雷诺数加载法，保证数值解的收敛性。在有限元方法离散过程中，采用有效的隐式压力－显式速度方式，以准确的速度场确保获得压力的稳定性。速度压力项选用不同阶次的插值函数。实践证明：当控制方法各对流项假扩散被     

非定常流函数涡量方程的一种数值解法的研究

对非定常流函数涡量方程的数值求解方法进行了改进,其中流函数一阶导数即速度项采用四阶精度的Hermitian公式,对流项由一般二阶精度的中心差分提高到四阶精度离散差分,包含温度方程在内的离散方程组采用ADI迭代方法求得定常解．以无内热体及有一内热体的封闭方腔内自然对流为例,进行了不同瑞利数（Ra）条件下的数值研究．结果表明,该方法推导简单,求解精度高且计算稳定,适用于封闭腔内高瑞利数复杂混合对流的数值模拟．     

基于ALE有限元法的流固耦合强耦合数值模拟

针对不同流固耦合问题,提出一种基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)有限元技术的分区强耦合算法.运用半隐式特征线分裂算法求解ALE描述下的不可压缩黏性流体Navier-Stokes方程.分别考虑一般平面运动刚体和几何非线性固体,采用复合隐式时间积分法推进结构运动方程,故可选用较大时间步长;进一步应用单元型光滑有限元法求解几何非线性固体大变形,获得更精确结构解且不影响计算效率.运用子块移动技术结合正交-半扭转弹簧近似法高效更新流体动网格;同时将一质量源项引入压力泊松方程满足几何守恒律,无需复杂构造网格速度差分格式.采用简单高效的固定点法配合Aitken动态松弛技术实现各场耦合,可灵活选择先进单场求解技术,具备较好程序模块性.运用本文算法分别模拟了H型桥梁截面颤振问题和均匀管道流内节气阀涡激振动问题.研究表明,数值结果与已有文献数据吻合,计算精度和求解效率均令人满意.     

基于ALE有限元法的流固耦合强耦合数值模拟

针对不同流固耦合问题,提出一种基于任意拉格朗日--欧拉(ALE)有限元技术的分区强耦合算法. 运用半隐式特征线分裂算法求解ALE描述下的不可压缩黏性流体Navier-Stokes方程. 分别考虑一般平面运动刚体和几何非线性固体,采用复合隐式时间积分法推进结构运动方程,故可选用较大时间步长;进一步应用单元型光滑有限元法求解几何非线性固体大变形,获得更精确结构解且不影响计算效率. 运用子块移动技术结合正 交--半扭转弹簧近似法高效更新流体动网格;同时将一质量源项引入压力泊松方程满足几何守恒律,无需复杂构造网格速度差分格式. 采用简单高效的固定点法配合Aitken动态松弛技术实现各场耦合,可灵活选择先进单场求解技术,具备较好程序模块性. 运用本文算法分别模拟了H型桥梁截面颤振问题和均匀管道流内节气阀涡激振动问题. 研究表明,数值结果与已有文献数据吻合,计算精度和求解效率均令人满意.      

不可压黏性流问题的无网格法分析

不可压缩黏性流问题一般采用Navier-Stokes方程来描述，基于加权残值法，推导了问题的无网格伽辽金法（EFGM）离散Navier-Stokes方程，在时间域上采用分步方法计算，速度和压力由相互独立的方程以解耦的形式求解，并采用同阶移动最小二乘近似，在每一时间步中，对压力解和速度解采用了Newton-Raphson迭代法进行修正，最后将所得到的方法应用到剪切驱动空腔流问题中，验证了方法的有效性，且解的精度高、稳定性好。     

基于S-A湍流模型的Runge-Kutta有限元算法

采用一方程S-A模型(Spalart-Allmaras模型)封闭雷诺时均N-S方程(RANS方程)进行湍流数值计算,可以减少方程求解数量,节约计算时间。本文对其进行了有限元数值算法研究,首先通过沿流线坐标变换,得到无对流项RANS方程,并引入三阶Runge-Kutta法对其进行时间离散;然后利用沿流线的Taylor展开解决坐标变换带来的网格更新的困难;最后采用Galerkin法进行空间离散,得到湍流模型的有限元算法。基于方柱绕流和覆冰输电线绕流模型,与试验结果进行对比,验证了该算法的有效性,与一阶数值算法相比,该算法在精度和收敛性方面更具优势。     

基于碎点法的动态断裂分析

工程中的冲击防护结构在撞击、爆炸等冲击载荷下可能发生动态断裂并最终破坏, 抑制结构的动态断裂是提升结构防护能力的重要手段, 为此需要准确预测结构在动态载荷下的断裂行为. 数值仿真是预测动态断裂的重要手段, 然而当前工程中常用的有限元法在模拟断裂方面仍存在网格畸变和难以显式引入裂纹等问题. 碎点法是近年来提出的一种不连续型伽辽金弱形式无网格方法, 适合模拟断裂问题, 本文提出一种显式动力学格式的碎点法并将该方法应用于动态断裂分析. 一方面, 碎点法参考弱形式无网格类方法, 将求解域离散为空间中的节点和子域, 并基于支持域内的节点群构造子域的位移试函数, 因此该方法的子域具有抵抗畸变的能力. 另一方面, 碎点法参考间断伽辽金有限元法, 使用分片连续的位移试函数, 并引入内部界面数值通量修正保证方法的一致性和稳定性, 因此该方法易于在结构中显式引入裂纹. 本文首先介绍碎点法的核心思想和离散形式, 接着推导了动力学碎点法弱形式动量方程, 然后建立了碎点法的显式动力学求解格式, 最后通过算例验证动力学碎点法预测应力波传播和动态断裂行为的能力.      

利用无网格伽辽金法分析材料稳态蠕变问题

稳态蠕变是高温环境下材料的一个重要的考虑问题，它也是材料破坏的一种重要形式。由于存在划分网格，利用传统有限元法模拟稳态蠕变有一定的不足之处。作为一种新兴的数值模拟方法，无网格法不需要划分单元，只需将求解问题离散成独立的结点，计算过程可以局部细化。利用连续介质的虚功原理，将无网格伽辽金法应用于稳态蠕变的数值模拟，推导了稳态蠕变的无网格伽辽金法控制方程。利用罚参数来实现稳态蠕变的不可压缩条件和本质边界条件，能够保证求解过程中刚度矩阵的对称正定性。通过实例的计算结果表明，无网格伽辽金法在求解稳态蠕变时具有较高的计算精度，结果与理论解结果吻合，而且前后处理较为简单。     

基于Boltzmann模型方程的气体运动论统一算法研究

模型方程出发,研究确立含流态控制参数可描述不同流域气体流动特征的气体分子速度分布函数方程; 研究发展气体运动论离散速度坐标法, 借助非定常时间分裂数值计算方法和NND差分格式, 结合DSMC方法关于分子运动与碰撞去耦技术, 发展直接求解速度分布函数的气体运动论耦合迭代数值格式; 研制可用于物理空间各点宏观流动取矩的离散速度数值积分方法, 由此提出一套能有效模拟稀薄流到连续流不同流域气体流动问题统一算法. 通过对不同Knudsen数下一维激波内流动、二维圆柱、三维球体绕流数值计算表明, 计算结果与有关实验数据及其它途径研究结果(如DSMC模拟值、N-S数值解)吻合较好, 证实气体运动论统一算法求解各流域气体流动问题的可行性. 尝试将统一算法进行HPF并行化程序设计, 基于对球体绕流及类``神舟'返回舱外形绕流问题进行HPF初步并行试算, 显示出统一算法具有很好的并行可扩展性, 可望建立起新型的能有效模拟各流域飞行器绕流HPF并行算法研究方向. 通过将气体运动论统一算法推广应用于微槽道流动计算研究, 已初步发展起可靠模拟二维短微槽道流动数值算法; 通过对Couette流、Poiseuille流、压力驱动的二维短槽道流数值模拟, 证实该算法对微槽道气体流动问题具有较强的模拟能力, 可望发展起基于Boltzmann模型方程能可靠模拟MEMS微流动问题气体运动论数值计算方法研究途径.      

方腔内自然对流与混合对流的有限差分格子Boltzmann研究

基于有限差分法,建立了贴体坐标系下求解流体流动和传热的双分布格子Boltzmann模型.在密度分布函数和温度分布函数对应的离散速度方程中,时间项采用四阶Runge-Kutta法离散,空间离散采用二阶迎风和二阶中心差分的混合形式.采用此模型分别对瑞利数为10~3、10~4、10~5、10~6的方腔自然对流以及理查森数为0.1、1、10的方腔混合对流进行了数值模拟,获得了流体速度与温度分布的典型特征,得到的努塞尔数也与基准解高度吻合.计算结果表明了本文采用的数值方法和计算程序的有效性.     

高温真实气体底部流动的NS方程数值计算

本文数值模拟了高超音速飞行时钝锥的底部流动。采用轴对称NS方程并考虑真实气体效应。湍流模型采用修正的Baldwin-Lomax涡粘性代数模型,数值方法空间离散对流项采用显式NND格式,粘性项采用中心差。时间离散采用三阶的龙格-库塔法。真实气体模型采用考虑七种组分四种反应的汉森模型。给出了底部流场的压力和温度分布及各组分的浓度分布。可以看出在近底部区域高速流-绕过拐角就产生一回流旋涡区。由于温度变化很大,气体的热力学特性受气体离解、复合和振动能激发的影响。所以整个流动过程变得十分复杂。