一种求解运动曲面上对流扩散方程的三维水平集方法

给出了一种求解运动曲面上对流扩散方程的三维水平集算法. 水平集函数被用来表示曲面.曲面上的微分方程及其解通过水平集方法被延拓到包含曲面的一个小邻域中. 一种半隐式的Crank-Nicholson 格式被用来做时间推进, 中心差分和三阶加权实质无振荡(WENO) 格式被分别用来离散方程中的扩散项和对流项. 分析证明了它在标准的Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) 条件下的稳定性. 数值算例显示了它能取得二阶精度.     

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.     

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。     

基于WENO重构的真正多维黎曼求解器

具有良好守恒性与网格适应性的有限体积格式在流体力学的数值计算中占有重要地位。其中，求解数值流通量是实施有限体积法的关键步骤。一维情形下，通过求解局部黎曼问题来获得数值流通量的相关理论已经比较成熟。但是在计算多维问题时，传统的维度分裂方法仅考虑沿界面法向传播的信息，这不仅影响格式的精度，还可能会造成数值不稳定性从而诱发非物理现象。本文基于对流-压力通量分裂方法来构造真正多维的黎曼求解器，通过求解网格顶点处的多维黎曼问题来实现格式的多维特性。采用五阶WENO重构方法来获得空间的高阶精度，时间离散采用三阶TVD龙格-库塔格式。一系列数值实验的结果表明，真正多维的黎曼求解器不仅具有更高的分辨率还能有效克服多维强激波模拟中的数值不稳定性。