不同网格扭曲率下压力修正全隐算法——IDEAL求解性能研究

2008年,本文作者和陶文铨等提出了一种用于速度和压力耦合求解的高效稳定压力修正全隐算法IDEAL,该算法通过在每个迭代层次上对压力方程进行两次内迭代计算,完全克服了SIMPLE算法的两个假设,充分满足了速度和压力之间的耦合,从而大大提高了计算的收敛性和健壮性.为了进一步实现IDEAL算法的推广应用,本文基于三维倾斜方腔顶盖驱动流动,研究了IDEAL算法在不同网格扭曲率下的求解特性.研究发现,在不同网格扭曲率下,IDEAL算法的健壮性和收敛性均优于SIMPLE算法,特别在高网格扭曲率情况下,IDEAL算法求解性能更加优于SIMPLE算法.在不同网格扭曲率下,IDEAL算法健壮性保持不变,几乎可以在任意速度亚松弛因子下获得收敛的解,同时IDEAL算法最短计算耗时较SIMPLE算法减少了56%~89%,验证了IDEAL算法的优越性.     

基于非结构化同位网格的SIMPLE算法

通过基于非结构化网格的有限体积法对二维稳态Navier—Stokes方程进行了数值求解。其中对流项采用延迟修正的二阶格式进行离散；扩散项的离散采用二阶中心差分格式；对于压力-速度耦合利用SIMPLE算法进行处理；计算节点的布置采用同位网格技术，界面流速通过动量插值确定。本文对方腔驱动流、倾斜腔驱动流和圆柱外部绕流问题进行了计算，讨论了非结构化同位网格有限体积法在实现SIMPLE算法时，迭代次数与欠松弛系数的关系、不同网格情况的收敛性、同结构化网格的对比以及流场尾迹结构。通过和以往结果比较可知，本文的方法是准确和可信的。     

用任意不规则网格求解N-S方程

引入辅助点法开发了新的通量近似计算方法，建立了采用任意不规则畸变网格作为控制体积的单元中心有限体积求解Navier—Stokes的方法。它以同位网格作为变量布置方式，压力一速度耦合采用SIMPLE方法。数值算例表明，该算法对高度不规则的畸变网格适应性强；其改进了传统算法在不规则网格下计算的困难，保证了模型在高扭曲度的网格下的整体计算精度不受网格拉伸畸变和剪切畸变的影响。     

不可压缩N-S方程的稳定分步算法及耦合离散

在有限增量微积分(finite increment calculus, FIC)的理论框架下，通过引入一个附加变量，发展了压力稳定型分步算法，有效改善了经典 分步算法的压力稳定性，同时还避免了标准FIC方法中存在的空间高阶导数的计算. 为保证 数值方法同时具有较快的计算速度和较好的健壮性，发展了有限元与无网格的耦合空间离散 方法. 该方案可在网格发生扭曲的区域采用无网格法空间离散以保证求解的精度和稳定性， 而在网格质量较好的区域以及本质边界上保留使用有限元法空间离散以提高计算效率和便于 施加本质边界条件. 方腔流考题的数值模拟结果突出地显示了所发展的压力稳定型分步算 法比经典分步算法具有更好的压力稳定性，能够有效消除速度-压力插值空间违反LBB条件而 导致的压力场的虚假数值振荡. 平面Poisseuille流动和一个典型型腔充填过程的数值模拟 结果, 表明了发展的耦合离散方案相对于单一的有限元法和单一的无网格法在综合考虑计 算效率和算法健壮性方面的突出优点.     

基于贴体网格的VOF方法数模流场研究

提出了一种基于VOF方法的模拟具有复杂边界形状结构物附近流场的新算法,BFC—SIMPLE—VOF算法。采用坐标变换方法实现了任意复杂区域的结构化网格划分,在贴体网格下对二维不可压缩粘性流体的控制方程进行了离散。提出了基于交错网格的修正SIMPLE算法来迭代求解压力一速度场,修正了贴体坐标下的界面跟踪方法（VOF方法）...     

基于同位网格下求解N-S方程的快速算法

在有限容积法基础上建立了基于同位网格的SIMPLEM算法。此算法使初始压力场与速度场耦合,让压力场和速度场同时更好地满足动量方程和连续性方程,且兼顾考虑扩散对流项对计算节点速度修正值的影响及源项与速度场之间的同步性,详细给出了算法的推导过程且对方腔顶盖驱动流进行了数值模拟。计算节点的布置采用同位网格技术,界面流速通过动量插值确定,在不同条件下讨论了迭代次数与残差的关系和不同算法的收敛性,同时验证了算法及程序是准确和可信的。     

同位网格上SIMPLE算法收敛特性的Fourier分析

应用Fourier方法研究了同位网格上SIMPLE算法求解浅水方程的收敛特性,并就松弛因子组合及阻力项的影响进行了分析.结果表明,采用合适的松弛因子组合可以很快地消除高频区域的误差,同时也可逐步消减迭代中低频区域的误差以获得收敛解.在保证收敛的前提下,低频误差分量决定了迭代速度,而且浅水方程中阻力项越大越利于SIMPLE算法收敛.     

模型燃烧室内瞬态紊流的大涡模拟

本文采用三种不同亚网格尺度模型对带有V型稳定器的模型燃烧室二维瞬态紊流流动进行了大涡模拟。并在交错网格系下用SIMPLE算法和混合差分格式求解离散方程。数值研究拟不同型式入口速度分布和不同亚网格尺度模型下模型燃烧室二维瞬态紊流流场。计算结果表明不同入口速度分布和不同亚网格尺度模型对瞬态流场和出口速度分布有一定的影响。本文通过数值模拟,揭示了V型稳定器后旋涡的产生和脱落过程。通过计算结果及实验数据的比较可知,本文采用的亚网格尺度模型可以用来模拟模型燃烧室紊流流场及稳定器后面回流区的流动情况。     

流固耦合分析的一种改进CBS有限元算法

针对流固耦合问题, 发展了一种基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)描述有限元法的弱耦合分区算法. 运用半隐式特征线分裂算法求解Navier-Stokes方程, 在压力Poisson 方程中引入质量源项以满足几何守恒律; 运用子块移动技术更新动态网格, 并配以光滑处理防止网格质量下降; 采用Newmark-β 法求解结构运动方程. 为保持流体-结构界面处速度和动量守恒, 利用修正结合界面边界条件方法求解界面处速度通量和动量通量. 运用本方法分别模拟了不同雷诺数下单圆柱横向和两向流致振动、串列双圆柱两向流致振动. 计算表明, 本文方法计算效率高, 计算结果与已有实验和数值计算数据吻合.     

燃烧室两相流场亚网格燃烧模型的研究

在三维任意曲线坐标系下采用不同的亚网格燃烧模型对环形燃烧室火焰筒气液两相湍流瞬态反应流进行大涡模拟．计算中所采用的数学度模型有：k方程亚网格尺度模型估算亚网格湍流黏性；热通量辐射模型估算辐射换热，分别采用亚网格EBU燃烧模型（E-A model）、亚网格二阶矩输运方程模型（SOM）和亚网格二阶矩代数模型（SOM-A）估算化学反应速率．并在非交错网格系统下气相采用SIMPLE算法和混合差分格式求解，液相采用Lagrange处理，并用PSIC算法对其进行求解．通过实验结果和计算结果的比较，表明在三维任意曲线坐标系下对燃烧室火焰简两相湍流油雾燃烧流场进行大涡模拟，3种不同的亚网格燃烧模型都能真实反映两相湍流化学反应流流动及实际燃烧过程，而采用亚网格二阶矩输运方程模型稍优于其他两种亚网格燃烧模型．     

演化算法求解桁架多目标拓扑优化的收敛速度研究

演化算法能够同时满足结构拓扑优化的前沿领域对全局优化、黑箱函数优化、组合优化和多目标优化的需求,但采用此类算法的可行性与必要性由其收敛性与计算效率决定。本文以应力约束桁架多目标拓扑优化问题为求解对象,致力于揭示在收敛性与计算效率两方面具有竞争力的算法。首先提出评估演化算法求解拓扑优化问题收敛性与计算效率的通用方法,采用穷举法严格推导了典型桁架多目标拓扑优化问题的全局最优解,并采用超体积指标定义了多层次收敛性能准则。最后通过比较研究得到不同收敛性需求下具有最快收敛速度的演化算法,并揭示了具有竞争力的算法机制。本研究为演化算法求解多目标拓扑优化问题的收敛速度奠定了理论基础,同时为高效求解实际工程拓扑优化问题提供算法支持。     

研究了雷诺数Re=200, 1000, 线速度比$\alpha =0.5$,

研究了雷诺数Re=200, 1000, 线速度比$\alpha =0.5$, 2.0, 4.0, 强迫振荡频率$f_{s}=0.1\sim 2.0$情况下的旋转振荡圆柱绕流问题. 通 过基于非结构同位网格有限体积法对Navier-Stokes方程进行数值求解. 对流项、扩 散项和非恒定项的离散格式均具有二阶精度，利用SIMPLE算法处理压力-速度耦合. 计算得到了作用力系数随不同控制参数的变化规律. 通过对升力系数的频谱分析得到 自然脱落频率和强迫振荡频率下的作用力振幅. 通过对不同频率作用力幅值的分析， 得到频率之间的竞争关系，进而定量地给出了不同尾迹涡脱落模式的分区图.     

非光滑方程组方法在求解非匹配网格接触问题中的应用

将非光滑方程组方法与Mortar StS接触模型(Mortar Segment-to-Segment)相结合,来求解接触面网格非匹配时的弹性接触问题.其中,非光滑方程组方法是求解弹性摩擦接触问题的有效方法,具有精确满足接触条件、迭代算法收敛性有理论保证的优点,但目前仅用于求解网格匹配的接触问题.Mortar StS接触模型可以较为方便地处理网格非匹配接触问题,其特点是不引入过多约束,满足接触分片检验条件,但目前大都采用“试验-误差”迭代方法求解控制方程,对于复杂接触问题,其收敛性不易保证.因此,将二者结合来处理网格非匹配接触问题,既可以提高求解精度,又能使得算法的收敛性得到理论保证.数值算例对接触分片检验和算法的计算精度进行了验证.     

求解带自由面渗流问题移动网格法的改进及其工程应用

采用有限元固定网格和移动网格相结合的方法,求解带自由面的坝体稳定渗流问题。本方法是针对一般坝体的结构,在有限元网格生成之后,又自动生成了网格移动所需的信息,实现了网格在迭代计算中随自由面的变化自动均匀移动;讨论了网格奇异的不同类型,提出了避免单元形状怪异的移动网格方法;在欧拉空间中分区记录坝体不同的渗透性能,在网格移动到新位置后,自动识别网格所在的物性空间,从而确定单元在新位置上的渗流系数。本文将该方法应用到吉林丰满混凝土重力坝防渗加固的实际工程当中,在考虑大坝原有防渗措施的前提下,利用数值分析,研究了防渗芯墙对大坝渗流性能的影响。计算结果表明,加芯墙后坝体自由面位置明显下移,湿水部分大为减少,坝基扬压力没有明显提升,下游出水点位置没有明显下降。计算过程表明,本文方法及措施具有很好的收敛性与稳定性,且收敛性与自由面初始位置的选择无关。     

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.     

非等温广义牛顿流体的无网格模拟

基于原始变量法,将RPIM推广到非等温广义牛顿流动问题的求解.为了减少未知量的个数,压力和速度采用罚函数方法耦合;同时采用积分降阶技术以保证获得满意的数值解.数值实验结果表明,采用罚函数法处理速度和压力在无网格方法中同样适用,且RPIM用于非等温广义牛顿流动问题的求解时具有易施加本质边界条件、计算精度高和收敛性较快的优点.     

梯形薄壁堰流量规律数值模拟研究

旨在用数值模拟方法推求计算梯型薄壁堰堰流的简化公式。通过推求梯型薄壁堰堰流的基本理论公式,并求解气液两相流时均方程,辅以RNG k-ε湍流模型模拟了5种不同堰顶水头下梯形薄壁堰的过流能力。用SIMPLE算法对模拟体系中的压力与速度的耦合进行求解,同时用VOF法对自由水面的流动变化信息进行捕捉;进而通过最小二乘法的拟合得到模拟的流量值随堰顶水头变化的简化计算式,采用此公式计算了梯形薄壁堰在不同堰顶水头时的过流流量,与所推基本理论公式的计算值相比结果基本一致,可为实际工程中流量的控制和测量提供参考。     

硬球加强模型在CFD-DEM耦合计算中的验证与分析

针对CFD-DEM耦合计算中，颗粒计算时间步的选取影响颗粒碰撞计算精度和效率的问题。本文引入插值算法，将动量定理求解颗粒碰撞前后速度进行加权平均；根据弹性理论计算得到颗粒碰撞力，进行动力学方程求解；通过速度收敛准则修正初值速度并自动调整迭代求解次数，提出一种计算精度不受计算时间步长影响，无需对碰撞过程进行精细描述的高效率和高精度的加强硬球模型。对两个颗粒匀和变速碰撞算例进行数值模拟，碰撞后速度、碰撞力和碰撞时间与理论计算误差小于4%,与采用软球碰撞模型的DEM方法相比，颗粒碰撞计算精度不受计算时间步长影响，计算效率提高36.3%和36.8%。对单个颗粒在静水中沉降进行数值模拟，计算步长取10 s～5 s,颗粒与壁面即可得到精确解，计算效率提高33.5%。通过压力损失实验验证了该模型能够准确计算颗粒体积分数小于12%条件下两相流的压力损失。     

翼吊式双发民机机体/动力装置一体化数值分析

介绍了多块网格技术与流场分区求解方法在翼吊式双发民机机体／动力装置一体化研究中的应用。数值求解Ｅｕｌｅｒ方程模拟复杂组合体绕流。采用边界层方程／Ｅｕｌｅｒ方程耦合迭代技术进行翼面粘性修正。为保持Ｅｕｌｅｒ注解中计算网格固定,粘流／无粘流耦合迭采用表面源模型。该方法对某民用飞机模型跨音速绕流流场进行了数值模拟,机翼表面计算压力分布与实验吻合良好。     

基于非结构网格的高效求解方法研究

非结构网格的求解效率一直是计算流体力学工作者十分关注的问题。本文从一个新的角度分析了N-S(Euler/Navier-Stokes)方程求解效率的高低,表明计算效率不仅涉及时间离散的效率,空间离散和程序算法都与之息息相关。采用不同的计算状态,对目前非结构网格上广泛应用的LU-SGS、对称Gauss-Seidel和GMRES方法进行较详细地比较和分析,考查了空间离散的耗时对方程求解效率的影响。结果表明,LU-SGS方法的计算效率在所给的算例中均是最低的;在不考虑大量内存消耗时,GMRES算法求解Euler方程的效率较高,松耦合求解N-S方程时效率会有所降低;在大规模计算中,多次对称的Gauss-Seidel迭代方法应是较好的选择,特别是N-S方程的求解。