一种健壮的TV通量分裂格式

随着计算流体力学的快速发展,设计精确、高效并且健壮的数值格式变得尤为重要。Toro等~([8])提出的TV通量分裂格式表现出简单、高效和精确分辨接触间断等优点,但是在计算一些多维算例时会出现数值激波不稳定现象。两波近似的HLL格式在计算中非常高效和健壮,但是不能分辨接触间断大大地限制了其应用。本文对TV通量分裂格式进行稳定性分析,据此提出一种混合格式来消除TV格式的数值激波不稳定性。数值试验表明,本文构造的混合格式不仅保留了原始TV格式的优点,而且具有更好的健壮性,在计算二维问题时不会出现数值激波不稳定现象。  

求解可压缩流的二维通量分裂格式

传统的一维通量分裂格式在计算界面数值通量时，只考虑网格界面法向的波系。采用传统的TV格式分别求解对流通量和压力通量。通过求解考虑了横向波系影响的角点数值通量来构造一种真正二维的TV通量分裂格式。在计算一维数值算例时，该格式与传统的TV格式具有相同的数值通量计算公式，因此其保留了传统的TV格式精确捕捉接触间断和膨胀激波的优点。在计算二维算例时，该格式比传统的TV格式具有更高的分辨率；在计算二维强激波问题时，消除了传统TV格式的非物理现象，表现出更好的鲁棒性；此外，该格式大大提高了稳定性CFL数，从而具有更高的计算效率。因此，本文方法是一种精确、高效并且具有强鲁棒性的数值方法，在可压缩流的数值模拟中具有广阔的应用前景。  

一种激波稳定的对流-压力通量分裂格式

针对欧拉方程三种流行的对流-压力通量分裂方法(Liou-Steffen,Zha-Bilgen和Toro-Vázquez)进行特征分析,进而提出一种新的对流-压力通量分裂格式。采用Zha-Bilgen分裂方法将欧拉方程的通量分裂成对流项和压力项两部分,使用TV格式来计算这两部分的数值通量。利用压力比构造激波探测函数,并且在强激波附近的亚声速区域增加TV格式的剪切粘性来克服数值模拟中的激波不稳定性。数值算例的计算结果表明,新的对流-压力通量分裂格式不仅保留了原始TV格式精确分辨接触间断的优点,而且具有更好的鲁棒性,在数值模拟多维强激波问题时不会出现不稳定现象。因此,该格式是一种精确并且具有强鲁棒性的数值方法,可以广泛地应用于可压缩流体的数值计算中。  

一种鲁棒的HLLC格式及其稳定性分析

精确捕捉接触波和剪切波的Godunov型数值方法，如流行的HLLC格式，在模拟高超声速流动问题时会出现激波异常现象。对HLLC格式进行稳定性分析发现，流体主流方向的扰动都能有效衰减，但是横向的密度与剪切速度的扰动不会衰减。具有特殊对称性的二维Sedov爆轰波问题证明了横向通量和不稳定现象之间的密切联系。利用压力比和马赫数来探测数值激波层亚声速区的横向网格界面，并且在该界面的数值通量上增加熵波粘性和剪切波粘性来构造一种激波稳定的HLLC格式。分析表明，在熵波粘性和剪切波粘性的作用下，横向的所有扰动都会衰减。一系列数值测试证明了新格式不仅可以成功地抑制各类激波异常现象，还保留了原HLLC格式低耗散性的优点。  

一种健壮的TV通量分裂格式

随着计算流体力学的快速发展，设计精确、高效并且健壮的数值格式变得尤为重要。Toro等^[8]提出的TV通量分裂格式表现出简单、高效和精确分辨接触间断等优点，但是在计算一些多维算例时会出现数值激波不稳定现象。两波近似的HLL格式在计算中非常高效和健壮，但是不能分辨接触间断大大地限制了其应用。本文对TV通量分裂格式进行稳定性分析，据此提出一种混合格式来消除TV格式的数值激波不稳定性。数值试验表明，本文构造的混合格式不仅保留了原始TV格式的优点，而且具有更好的健壮性，在计算二维问题时不会出现数值激波不稳定现象。  

一种健壮的混合Roe黎曼求解器

使用Roe格式计算多维流动问题时，在强激波附近会出现数值激波不稳定现象。带有剪切粘性的HLLEC格式不仅可以捕捉接触间断，而且表现出很好的稳定性。混合Roe格式和HLLEC格式来消除数值激波不稳定性。在强激波附近，通过激波面法向和网格界面法向的夹角来定义开关函数，使得数值通量在激波面横向切换成HLLEC格式。在其余地方，数值通量依然使用Roe格式来计算。数值试验表明，混合格式不仅消除了Roe格式的数值激波不稳定性，还最大程度地减少了HLLEC格式所带来的剪切耗散，保留了Roe格式高分辨率的优点。  

一种新型的高分辨率通量差分裂格式

传统的Roe格式不满足熵条件并且在计算激波问题时会遭遇不同形式的不稳定现象,如慢行激波的波后振荡和红玉(carbuncle)现象.基于Zha-Bilgen对流-压力通量分裂方法,构造一种新型的通量差分裂格式.利用约旦标准型理论,通过添加广义特征向量构造通量差分裂方法来计算对流子系统.压力子系统具有一组完备的线性无关特征向量,因此可以构造传统的通量差分裂格式进行计算.为了提高接触间断的分辨率,利用界面变差下降(BVD)算法来重构对流通量耗散项中的密度差.激波稳定性分析表明,新格式可以有效地衰减数值误差,从而抑制不稳定现象的发生.一系列数值实验证明了本文构造的新型通量差分裂格式比Roe格式具有更高的分辨率和更好的鲁棒性.