高雷诺数流动的基本控制方程体系和扩散跑物化Navier-Stokes方程组的意义和用途

在计算机发达的时代, 高雷诺($Re$)数绕流计算中有无必要使用简化NS方程组, 本文讨论这个问题. 主要内容如下: (1)高$Re$数绕流包含3种基本流动: 所有方向对流占优流动、所有方向对流扩散竞争流动和部分方向对流占优部分方向对流扩散竞争流动(简称干扰剪切流动), 3个基本流动的特征彼此不同且在流场中所占领域大小彼此相差悬殊, NS方程区域很小,它们的最简单控制方程组Euler、Navier-Stokes (NS)和扩散抛物化(DP) NS方程组的数学性质彼此不同, 因此利用Euler-DPNS-NS方程组体系分析计算高$Re$数绕流流动就是一个合乎逻辑的选择, 该法与利用单一NS方程组的常用方法可以彼此检验和补充. (2)流体之间以及流体与外界的动量、能量和质量交换, 流态从层流到湍流的演化主要发生在干扰剪切流动中, 干扰剪切流及其最简单控制方程------DPNS方程组具有基础意义; DPNS方程组笔者在1967年已提出. (3)诸简化NS方程组: DPNS、抛物化(P)NS、薄层(TL)NS、黏性层(VL)NS方程组的发展、相互关系, 它们的历史贡献和今后的用途; 它们的数学性质均为扩散抛物型, 但它们包含的黏性项彼此有所不同; 从流体力学角度来看, 它们中只有DPNS方程组能够准确描述干扰剪切流动. 提出把诸简化NS方程组统一为DPNS方程组的建议. (4)干扰剪切流------DPNS方程组与无干扰剪切流------边界层方程组之间的关系以及进一步研究干扰剪切流的意义.      

二维抛物化稳定性方程的特征和次特征

特征分析表明 :对原始扰动量的抛物化稳定性方程组 (PSE) ,它在亚、超音速区分别具有椭圆和抛物特性 ,给出PSE特征对马赫数的依赖关系 ,阐明PSE仅把信息对流 扩散传播特性抛物化 ,而保留了信息对流 扰动传播特性 ,因此PSE应称为扩散抛物化稳定性方程 (DPSE)     

湍流普适平衡区的能谱

本文应用作者之一提出的确定湍流能谱的理论,对八种试探函数和四个波数取样值用方程误差方法数值求解能谱和阻尼系数满足的两个积分方程。结果得到湍流普适平衡区能谱的一个新的表达式。这个新的表达式与作者之一原来得到的表达式形式不同,但二者对应的三维和一维能谱差别很小;这说明了所用理论的自恰性。新的表达式较为简便。     

对流扩散方程的绝对稳定高阶中心差分格式

将作者提出的数值摄动算法改进为区分离散单元内上游和下游并分别对通量进行高精度重构的双重数值摄动算法,与原(单重)摄动算法相比,双重摄动算法既提高了格式精度又明显扩大了格式的稳定域范围.利用双重摄动算法,即分别利用上游和下游基点变量的摄动重构将高阶流体力学关系及迎风机制耦合进二阶中心格式之中,由此构建了对流扩散方程的对网格Reynolds数的任意值均稳定(绝对稳定)高精度(四阶和八阶精度)三基点中心TVD差分格式,通过解析分析以及3个算例计算证实了构建格式的优良性能;3个算例包括一维线性、非线性(Burgers方程)和二维变系数对流扩散方程.数值计算表明:构建的格式在粗网格下不振荡,构建格式在粗网格时的最大误差L_∞和均方误差L_2与二阶中心格式在细网格时的相应误差一致,对线性方程,构建格式在细网格下可达到L_2精度阶.     

数值摄动算法及其CFD格式

作者提出的数值摄动算法把流体动力学效应耦合进NS方程组和对流扩散（CD）方程离散的数学基本格式（MBS）,特别是耦合进最简单的MBS即一阶迎风和二阶中心格式之中,由此构建成一系列新格式,称呼方便和强调耦合流体动力学起见,称它们为流体力学基本格式（FMBS）。构建FMBS的主要步骤是把MBS中的通量摄动重构为步长的幂级数,利用空间分裂和导出的高阶流体动力学关系式,把结点变量展开成Taylor级数,通过消除重构格式修正微分方程的截断误差诸项求出幂级数的待定系数,由此获得非线性FMBS。FMBS的公式是MBS与 （及 ）之简单多项式的乘积, 和 分别是网格Reynolds数和网格CFL数。FMBS和MBS使用相同结点,简单性彼此相当,但FMBS精度高稳定范围大,例如FMBS包含了许多绝对稳定和绝对正型、高阶迎风和中心有限差分（FD）格式和有限体积（FV）格式,这些格式对网格Reynolds数的任意值均为不振荡格式。可见对不振荡CFD格式的构建,数值摄动算法提供了不同于调节数值耗散等常见的人为构建方法,而利用流体力学自身关系以及把迎风机制通过上、下游摄动重构引入中心MBS的解析构建方法,FMBS除了直接应用于流体计算外;对于通过调节数值耗散、色散和数值群速度特性重构高分辨率格式的研究,最简单FMBS提供了比最简单MBS更精确、但同样简单的基础和起步格式。FMBS用于计算不可压缩流,可压缩流,液滴萃取传质,微通道两相流等,均获得良好数值结果或与已有Benchmark解一致的数值结果。已有文献称数值摄动算法为新型高精度格式和高的算法和高的格式;本文FMBS比数值摄动格式的称呼可更好反映FMBS的物理内容。文中也讨论了值得进一步研究的一些课题,该法亦可用于其它一些数学物理方程（例如,简化Boltzmann方程、磁流体方程、KdV-Burgers方程等）MBS耦合物理动力学效应的重构。      

对流扩散方程的四阶紧凑迎风差分格式

§1.引言 流动和传热传质的基本方程均是对流扩散型的.对流扩散方程的高阶紧凑差分格式,作为提高计算可靠性和节省计算量的一条有效途径,已引起相当的重视.作为该领域的一大进展,新近由Dennis推出的对流扩散方程四阶紧凑格式,在二维情形下呈九点式且勿须引入中间变量,只涉及对流扩散量本身,能在较粗网格下获取较为准确的数值结果.从本质上说,该格式系指数型四阶紧凑格式的多项式型翻版.它与指数型紧凑格     

简化Navier-Stokes(SNS)方程在二维层流边界层分离点邻域的特性

文中证明了本文第二作者提出的简化Navier-Stokes(SNS)方程在层流边界层分离点数学上为正则.Davis和Голвачев-Куэьмин-Попов 提出的SNS方程在分离点为数学奇异.进而论证了文献[2,3]的SNS方程在层流边界层分离点的奇异阶.最后给出了Navier-Stokes方程、上述两种SNS方程以及边界层方程在分离点邻域特性的比较.     

流体运动稳定性方程组椭圆特性的分析与应用

利用抛物化稳定方程(PSE)特征分析得知,原始扰动量的线性和非线性PSE整体来说为抛物型.利用PSE的次特征分析证明,对速度U,在亚音速和跨音速区,线性PSE分别为椭圆型和双曲-抛物型;对速度U+u,在亚音速和跨音速区,非线性PSE分别为椭圆型和双曲-抛物型(其中,U和u分别为主流方向的扰动和未扰流速度分量).结论表明,流体运动稳定性方程组的"抛物化"简化,仅把信息的对流扩散传播抛物化,而保留了信息的对流扰动传播特性,PSE实质上是扩散抛物化稳定性方程组.根据特征次特征理论提出了消除PSE剩余椭圆特性的方法,所得结论对线性PSE已有结论一致,并给出了Mach数的影响.同时,进一步给出了消除非线性PSE的剩余椭圆特性的方法.