基于人工神经网络的非结构网格尺度控制方法

网格自动化生成和自适应是制约计算流体力学发展的瓶颈问题之一, 网格生成质量、效率、灵活性、自动化程度和鲁棒性是非结构网格生成的关键问题. 在非结构网格生成中, 网格空间尺度分布控制至关重要, 直接影响网格生成质量、效率和求解精度. 采用传统的背景网格法进行空间尺度分布控制需要在背景网格上求解微分方程得到背景网格上的尺度分布, 再将网格尺度从背景网格插值到真实空间点, 过程十分繁琐且耗时. 本文从效率和自动化角度提出两种网格尺度控制方法, 首先发展了基于径向基函数(RBF)插值的网格尺度控制方法, 通过贪婪算法实现边界参考点序列的精简, 提高了RBF插值的效率. 同时, 还采用人工神经网络进行网格尺度控制, 初步引入相对壁面距离和相对网格尺度作为神经网络输入输出参数, 建立人工神经网络训练模型, 采用商业软件生成二维圆柱和二维翼型非结构三角形网格作为训练样本, 通过训练和学习建立起相对壁面距离和相对网格尺度的神经网络关系. 进一步实现了二维圆柱、不同的二维翼型的尺度预测, RBF方法和神经网络方法的效率与传统背景网格法相比提高了5~10倍, 有助于提高网格生成的效率. 最后, 将方法推广应用于各向异性混合网格尺度预测, 得到的网格质量满足要求.      

非结构网格变形方法研究进展

动网格技术中的非结构网格变形是计算流体力学和计算固体力学的关键技术之一. 本文在总结现有非结构网格变形方法的基础上, 提出了一种网格变形方法的详细分 类, 将现有方法归类为虚拟结构法、偏微分方程法和代数法. 本文综述了各类方法 的最新研究进展, 分析并比较了各类方法的特性, 评述了当前网格变形研究的几个 主要方向:复杂结构外形在不规则变形下的动网格生成、三维动网格生成、并行动 网格生成和动节点技术. 最后简要地探讨了该领域的发展趋势.     

非结构混合网格在气动热标模模拟中的应用

非结构混合网格消除了结构网格节点的结构性限制,可以较好地处理边界,同时兼顾了粘性边界层模拟的需求,具有灵活性大、对复杂外形适应能力强和生成耗时短等优点,在飞行器气动特性模拟中得到广泛应用.本文针对非结构混合网格的特点,把前期针对非结构混合网格气动力高精度模拟发展改进的梯度计算方法和Roe格式熵修正方法推广应用到气动热流的数值模拟.以典型钝锥标模外形的高超声速绕流为研究对象,开展了不同网格形式和第一层网格不同间距的影响研究.结果 表明,热流计算时,头部物面网格最好采用四边形或四边形交叉剖分得到的三角形网格,物面法向的网格雷诺数取20左右,为热流计算时非结构混合网格的生成提供了指导,同时验证了计算方法的有效性和可靠性.     

非结构混合网格高超声速绕流与磁场干扰数值模拟

对均匀磁场干扰下的二维钝头体无粘高超声速流场进行了基于非结构混合网格的数值模拟.受磁流体力学方程组高度非线性的影响及考虑到数值模拟格式的精度,目前在此类流场的数值模拟中大多使用结构网格及有限差分方法,因而在三维复杂外形及复杂流场方面的研究受到限制.本文主要探索使用非结构网格(含混合网格)技术时的数值模拟方法.控制方程为耦合了Maxwell方程及无粘流体力学方程的磁流体力学方程组,数值离散格式采用Jameson有限体积格心格式,5步Runge-Kutta显式时间推进.计算模型为二维钝头体,初始磁场均匀分布.对不同磁感应强度影响下的高超声速流场进行了数值模拟,并与有限的资料进行了对比,得到了较符合的结果.     

非结构网格二阶有限体积法中黏性通量离散格式精度分析与改进

非结构网格二阶有限体积离散方法广泛应用于计算流体力学工程实践中,研究非结构网格二阶精度有限体积离散方法的计算精度具有现实意义. 计算精度主要受到网格和计算方法的影响,本文从单元梯度重构方法、黏性通量中的界面梯度计算方法两个方面考察黏性流动模拟精度的影响因素. 首先从理论上分析了黏性通量离散中的“奇偶失联”问题,并通过基于标量扩散方程的制造解方法验证了“奇偶失联”导致的精度下降现象,进一步通过引入差分修正项消除了“奇偶失联”并提高了扩散方程计算精度;其次,在不同类型、不同质量的网格上进行基于扩散方程的制造解精度测试,考察单元梯度重构方法、界面梯度计算方法对扩散方程计算精度的影响,结果显示,单元梯度重构精度和界面梯度计算方法均对扩散方程计算精度起重要作用;最后对三个黏性流动算例(二维层流平板、二维湍流平板和二维翼型近尾迹流动)进行网格收敛性研究,初步验证了本文的结论,得到了计算精度和网格收敛性均较好的黏性通量计算格式.      

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.      

基于非结构网格求解二维浅水方程的高精度有限体积方法

采用HLL格式,在三角形非结构网格下采用有限体积离散,建立了求解二维浅水方程的高精度的数值模型.本文采用多维重构和多维限制器的方法来获得高精度的空间格式以及防止非物理振荡的产生,时间离散采用三阶Runge-Kutta法以获得高阶的时间精度.基于三角形网格,底坡源项采用简单的斜底模型离散,为保证计算格式的和谐性,对经典的HLL格式计算的数值通量中的静水压力项进行了修正.算例证明本文提出的方法的和谐性并具有高精度的间断捕捉能力和稳定性.     

非结构网格二阶有限体积法中黏性通量离散格式精度分析与改进

非结构网格二阶有限体积离散方法广泛应用于计算流体力学工程实践中,研究非结构网格二阶精度有限体积离散方法的计算精度具有现实意义.计算精度主要受到网格和计算方法的影响,本文从单元梯度重构方法、黏性通量中的界面梯度计算方法两个方面考察黏性流动模拟精度的影响因素.首先从理论上分析了黏性通量离散中的"奇偶失联"问题,并通过基于标量扩散方程的制造解方法验证了"奇偶失联"导致的精度下降现象,进一步通过引入差分修正项消除了"奇偶失联"并提高了扩散方程计算精度;其次,在不同类型、不同质量的网格上进行基于扩散方程的制造解精度测试,考察单元梯度重构方法、界面梯度计算方法对扩散方程计算精度的影响,结果显示,单元梯度重构精度和界面梯度计算方法均对扩散方程计算精度起重要作用;最后对三个黏性流动算例(二维层流平板、二维湍流平板和二维翼型近尾迹流动)进行网格收敛性研究,初步验证了本文的结论,得到了计算精度和网格收敛性均较好的黏性通量计算格式.     

二维弹性力学问题的光滑无网格伽辽金法

计算效率低的问题长期阻碍着无网格伽辽金法(element-free Galerkin method, EFGM)的深入发展.为了提高EFGM的计算速度,本文提出一种求解二维弹性力学问题的光滑无网格伽辽金法.该方法在问题域内采用滑动最小二乘法(moving least square, MLS)近似、在域边界上采用线性插值建立位移场函数;基于广义梯度光滑算子得到两层嵌套光滑三角形背景网格上的光滑应变,根据广义光滑伽辽金弱形式建立系统离散方程.两层嵌套光滑三角形网格是由三角形背景网格本身以及四个等面积三角形子网格组成.为了提高方法的精度,由Richardson外推法确定两层光滑网格上的最优光滑应变.几个数值算例验证了该方法的精度和计算效率.数值结果表明,随着光滑积分网格数目的增加,光滑无网格伽辽金法的计算精度逐步接近EFGM的,但计算效率要远远高于EFGM的.另外,光滑无网格伽辽金法的边界条件可以像有限元那样直接施加.从计算精度和效率综合考虑,光滑无网格伽辽金法比EFGM具有更好的数值表现,具有十分广阔的发展空间.     

基于网格框架的非结构附面层网格生成技术

附面层网格质量是确保计算流体力学粘性计算精度的关键技术环节.本文针对复杂外形提出了全局一致的高质量附面层网格构造算法,该方法基于针对特征的表面网格区域分解技术,利用表面网格分片后的边界线及其法向量构造最终附面层网格的轮廓框架线,并通过径向基函数及线性插值算法生成完整的附面层网格.通过典型算例分析可以看出,该方法生成的非结构附面层网格精度和全局一致性较高,且能够有效避免复杂外形附面层网格局部及全局交叉现象.     

非结构动网格在三维可动边界问题中的应用

研究用于非结构动网格的弹簧近似方法，采用顶点弹簧描述，导出并讨论了弹簧倔强系数的取值。通过引入边界修正和扭转效应修正，对标准弹簧近似方法进行了改进，转动翼型算例的结果表明，改进后的方法大大提高了网格变形能力和网格质量，应用该动网格方法耦合求解基于（Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE）描述的三维Euler方程，模拟了作俯抑振动的矩形机翼绕流，计算结果与实验数据及文献计算结果十分一致，作为多个自由刚与流体耦合运动问题的简单例证，耦合刚体动力学方程，模拟了激波与双立方体的相互作用，得到了非定常流场结构，研究表明，基于弹簧近似的非结构动网格与有限体积流式流场解算器相结合，是模拟包含运动边界的非定常流动问题的有效方法。     

非结构动网格在可动边界问题中的应用研究

本文对用于非结构动网格生成的弹簧近似方法进行了研究。通过采用顶点弹簧方法,分析研究了弹簧倔强系数的取值,同时通过引入挤压倔强系数和边界修正,对标准弹簧近似方法进行了改进。改进后的方法可以大大提高网格变形能力和网格质量。应用本文发展的非结构动网格生成方法并通过耦合求解基于(ArbitraryLagrangian-Eulerian ALE)描述的Euler方程,模拟了谐和振动NACA0012翼型及M6机翼的跨音速绕流,计算结果与参考文献提供的结果及实验结果吻合良好。     

Unstructured lattice Boltzmann method in three dimensions

Over the last decade, the lattice Boltzmann method (LBM) has evolved into a valuable alternative to continuum computational fluid dynamics (CFD) methods for the numerical simulation of several complex fluid‐dynamic problems. Recent advances in lattice Boltzmann research have considerably extended the capability of LBM to handle complex geometries. Among these, a particularly remarkable option is represented by cell‐vertex finite‐volume formulations which permit LBM to operate on fully unstructured grids. The two‐dimensional implementation of unstructured LBM, based on the use of triangular elements, has shown capability of tolerating significant grid distortions without suffering any appreciable numerical viscosity effects, to second‐order in the mesh size. In this work, we present the first three‐dimensional generalization of the unstructured lattice Boltzmann technique (ULBE as unstructured lattice Boltzmann equation), in which geometrical flexibility is achieved by coarse‐graining the lattice Boltzmann equation in differential form, using tetrahedrical grids. This 3D extension is demonstrated for the case of 3D pipe flow and moderate Reynolds numbers flow past a sphere. The results provide evidence that the ULBE has significant potential for the accurate calculation of flows in complex 3D geometries. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

HyperFLOW软件非结构网格亚跨声速湍流模拟的验证与确认

计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟在航空航天等领域发挥越来越重要的作用,然而CFD数值模拟结果的可信度仍然需要通过不断地验证与确认来提高.本文给出了从制造解精度测试、简单到复杂外形湍流模拟网格收敛性研究等三个方面开展CFD软件验证与确认的方法,并对自主研发的CFD软件平台HyperFLOW在非结构网格上模拟亚跨声速湍流问题的能力进行了验证与确认.首先通过基于Euler方程和标量扩散方程的制造解精度测试,分别验证了HyperFLOW在非结构网格上对Euler方程和黏性项的求解精度,结果表明其能够在任意非结构网格上达到设计的二阶精度. 其次,通过NASATurbulence Modeling Resource中的湍流平板、二维翼型近尾迹流动、二维Bump等几个典型的亚声速湍流算例的网格收敛性研究,量化考察了数值结果的观测精度阶和网格收敛性指数,并与国外知名CFD解算器CFL3D,FUN3D的计算结果进行了对比,验证了HyperFLOW对简单湍流问题的模拟能力,且具有良好的网格收敛性和计算精度(阶). 最后,通过NASA CommonResearchModel标模定升力系数的网格收敛性研究和升阻极曲线预测,验证了软件在复杂外形亚跨声速湍流流动数值模拟中也具有良好的可信度.      

基于聚合多重网格方法的跨音速颤振的数值模拟

采用流固耦合方法对跨音速颤振进行了数值模拟。流体方面在非结构网格上用有限体积方法求解了Euler方程；结构方面则求解了后掠机翼典型剖面的结构模态方程。时间推进采用双时间步长：对每一真实时间步，都通过基于聚合多重网格方法的伪时间步推进，对流体和结构方程交替迭代．得到一个稳态的流固耦合的解。文章最后给出了NACA64A010翼型剖面的跨音速颤振边界．与相关文献的计算结果符合良好。     

Adaptive mesh refinement and coarsening for aerodynamic flow simulations

A new mesh refinement technique for unstructured grids is discussed. The new technique presents the important advantage of maintaining the original grid skewness, thanks to the capability of handling hanging nodes. The paper also presents an interpretation of MacCormack's method in an unstructured grid context. Results for a transonic convergent–divergent nozzle, for a convergent nozzle with a supersonic entrance and for transonic flow over a NACA 0012 airfoil are presented and discussed. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

Interpolation-based reduced-order modelling for steady transonic flows via manifold learning

This paper presents a parametric reduced-order model (ROM) based on manifold learning (ML) for use in steady transonic aerodynamic applications. The main objective of this work is to derive an efficient ROM that exploits the low-dimensional nonlinear solution manifold to ensure an improved treatment of the nonlinearities involved in varying the inflow conditions to obtain an accurate prediction of shocks. The reduced-order representation of the data is derived using the Isomap ML method, which is applied to a set of sampled computational fluid dynamics (CFD) data. In order to develop a ROM that has the ability to predict approximate CFD solutions at untried parameter combinations, Isomap is coupled with an interpolation method to capture the variations in parameters like the angle of attack or the Mach number. Furthermore, an approximate local inverse mapping from the reduced-order representation to the full CFD solution space is introduced. The proposed ROM, called Isomap+I, is applied to the two-dimensional NACA 64A010 airfoil and to the 3D LANN wing. The results are compared to those obtained by proper orthogonal decomposition plus interpolation (POD+I) and to the full-order CFD model.