推进－迭代算法计算效率的研究

本文对求解三维定常超音速动性流场的一次空间推进，在每一个推进站沿伪时间层局部迭代的推进－迭代算法作了进一步的研究．在每一推进站（侧向平面）沿伪时间层局部迭代时，给出了四种不同的隐式迭代方法，即沿侧面两个方向（法向和周向）全用隐式；法向隐式而周向采用Ｇａｕｓｓ－Ｓｉｌｄｌｅ来回扫描迭代；法向隐式而周向显式及以系数矩阵谱半径代替系数矩阵的简化标量隐式算法．用这四种算法模拟了三维球锥黏性绕流，给出了四种不同算法的计算效率和收敛特性比较．     

时间推进方法在叶轮机械内部流场计算中的进展

时间推进方法目前广泛应用于叶轮机械内部流场的计算,这种方法可以划分成显式时间推进方法和隐式时间推进方法．本文简要介绍了时间推进方法用于叶轮机械内部流场计算的起源及这种方法的优点和缺点,重点记述了国内外叶轮机界应用显式时间推进方法和隐式时间推进方法计算叶轮机内部流场的最新进展,并简要介绍世界上一些著名的研究机构开发的时间推进方法计算程序所采用的数值计算方法      

高黏性流动有限元模拟的迭代稳定分步算法

分步算法已被广泛应用于数值求解不可压缩N-S方程. Guermond等认为时间步长必须大于 某个临界值方能使算法稳定. 然而在高黏性流动模拟中,已有的显式和半隐式分步算法由于 其显式本质,必须采用小时间步长计算,不但降低了计算效率,同时也常与为使分步算法稳 分步算法已被广泛应用于数值求解不可压缩N-S方程. Guermond等认为时间步长必须大于 某个临界值方能使算法稳定. 然而在高黏性流动模拟中,已有的显式和半隐式分步算法由于 其显式本质,必须采用小时间步长计算,不但降低了计算效率,同时也常与为使分步算法稳 定必须满足的最小时间步长要求冲突. 本文目的是构造一种含迭代格式的分步算法,它能在 保证精度的前提下大幅度地增大时间步长. 方腔流和平面Poisseuille流数值计算结果证实 了此特点,该方法被有效应用于充填流动过程的数值模拟.     

弹塑性问题参数二次规划分析的隐式算法

传统的二次规划算法求解弹塑性问题时一般要经过对问题的线性化,如对屈服条件的一阶近似展开等,这在一定程度上会造成数值解的误差。为此,本文提出一种改进的策略,引入迭代与规划算法相结合的技术对问题进行处理,算法收敛平稳迅速,在大步长荷载增量下使算法的精度大大提高。由于本文的算法属于隐式算法,因而也就弥补了原二次规划算法求解弹塑性问题时只有显式算法的不足,从而达到了对原算法的进一步完善。     

幼鱼体长差异性对群游推进效率的影响研究

为探究上下游鱼之间的体长差异性对鱼群群游效率的影响,本文基于Fluent动网格技术,对幼鱼鱼群稳定游动状态下的鱼体周身涡量和推进效率等进行了数值模拟分析。计算结果表明,群游幼鱼的推进效率相比单尾鱼最高可提升5%,上游鱼体长大于下游鱼体长(ΔL> 0 cm)时,随体长差异的增大,鱼群尾流结构(d/D)增大,整体推进效率减小;上游鱼体长小于下游鱼体长(ΔL<0 cm)时,随体长差异的增大,鱼群尾流结构(d/D)和整体推进效率减小。当上下游幼鱼的体长差ΔL=0.5 cm时,三角形组合的鱼群整体推力系数和功率系数最高分别可达5.11×10^-3和1.71×10^-3,该组合下的整体推进效率可达17.2%。     

轮胎滑水的CFD计算方法研究

针对轮胎滑水现象,采用VOF模型(Volume of Fluid Model)进行了CFD数值模拟计算。建立了分析对象的物理模型(轮胎模型、水模型和边界条件及初始条件)和RNGk-ε湍流模型;采用多块网格技术对计算域进行了离散,重点模拟分析三种不同入口速度下的动水压力变化和轮胎附近流场变化。最后和国外学者所做的试验和相关文献结果进行了对比,表明本文介绍的方法是可行的,该方法为轮胎产品开发提供了有效经济的技术支持。     

吸气式激光推进推力产生机理的数值模

采用二阶精度的Roe格式，分别采用完全气体模型和高温平衡气体模型，对激光引致的激波在流场中的传播以及轴对称激光推力器的推力产生过程进行了数值模拟，揭示了大气吸气模式激光推进的推力产生机理。结果表明，采用高温平衡气体模型可以更精确地模拟等离子体流场的演化过程，计算所得的冲量耦合系数与已有实验结果吻合较好。     

陷落腔的流场数值计算研究

本文对有限分析解法的近似计算方法及其对计算精度的影响进行了数值计算和分析讨论；然后采用有限分析解法，对前、后壁壁缘高度不同的三种腔内流场运动发展过程及腔口剪切层运动情况作了数值计算，得到的腔口剪切层上腔口随边相互作用情况与对应腔的流场显示实验结果进行了比较，两者一致，计算结果表明，采用本文发展的近似方法计算可靠，可以较大地提高计算效率。     

基于迭代计算的地磁轮廓线匹配算法

针对惯性/地磁匹配组合导航系统,提出了一种基于迭代计算的地磁轮廓线匹配新算法,可以有效地修正惯导系统的初始位置误差和初始航向误差,并具有较高的实时性。首先以均方差准则建立匹配轨迹和实测地磁特征量的相关性约束,引入匹配曲线的参数化模型,通过泰勒展开并忽略高阶小项,将相关性约束简化为曲线平移位移和航向误差角的多变量表达式。然后依据相关性准则,将地磁匹配问题转化为以曲线平移位移和航向误差角为变量的非线性方程组的求解问题。采用牛顿迭代求解非线性方程组,实现地磁轮廓线匹配。最后仿真结果表明,基于迭代计算的地磁轮廓线匹配方法的最大匹配误差为传统轮廓线匹配方法的18.2%,为等值线约束迭代最近点匹配方法的7.8%,并且所提出的新方法耗时仅为5 ms,满足实时匹配要求。     

一种基于块雅可比迭代的高阶FR格式隐式方法

最近, 基于非结构网格的高阶通量重构格式(flux reconstruction, FR)因其构造简单且通用性强而受到越来越多人的关注. 但将FR格式应用于大规模复杂流动的模拟时仍面临计算开销大、求解时间长等问题. 因此, 亟需发展与之相适应的高效隐式求解方法和并行计算技术. 本文提出了一种基于块Jacobi迭代的高阶FR格式求解定常二维欧拉方程的单GPU隐式时间推进方法. 由于直接求解FR格式空间和隐式时间离散后的全局线性方程组效率低下并且内存占用很大. 而通过块雅可比迭代的方式, 能够改变全局线性方程组左端矩阵的特征, 克服影响求解并行性的相邻单元依赖问题, 使得只需要存储和计算对角块矩阵. 最终将求解全局线性方程组转化为求解一系列局部单元线性方程组, 进而又可利用LU分解法在GPU上并行求解这些小型局部线性方程组. 通过二维无黏Bump流动和NACA0012无黏绕流两个数值实验表明, 该隐式方法计算收敛所用的迭代步数和计算时间均远小于使用多重网格加速的显式Runge-Kutta格式, 且在计算效率方面至少有一个量级的提升.      

轮轨三维弹塑性接触应力的算法研究

轮轨三维弹塑性接触应力的计算是研究轮轨接触疲劳的前提,本首次将ＣＯＮＴＡＣＴ程序与有限元方法相结合,考虑钢轨的真实几何形状和边界条件,形成了统一的轮轨滚动接触算法和软件ＣＭＥＦ,快速、有效地计算钢轨中真实的弹塑性应力场。     

在波形斜坡上的自由粘性流动的算法

利用非定常变换将流体流动的复杂区域变到一个固定的矩形计算区域，然后用高效的数值方法对此强非线性问题进行积分．由于变换本身是随自由面变化而变化，刻画这一变换的参数将作为未知量与其它待求流动参数在积分过程中同时求得．本方法对流动问题不作任何限制，可以计算非常复杂的自由粘性流动问题．     

NUMERICAL STUDIES ON THE MIXING OF CH_4 AND KEROSENE INJECTED INTO A SUPERSONIC FLOW WITH H_2 PILOT INJECTION

Ｎｏｍｅｎｃｌａｔｕｒｅｃｉ 　Ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ ;ｃｉｘ,ｃｉｙ,ｃｉｚ 　Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓｏｆｇｒａｄｉｅｎｔｏｆｃｉｃｐ 　ＣｏｎｓｔａｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｓｐｅｃｉｆｉｃｈｅａｔｃＤ 　Ｄｒａｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｄ　ＤｒｏｐｌｅｔｄｉａｍｅｔｅｒＤ　ＴｏｔａｌｄｉｆｆｕｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔＥ　ＴｏｔａｌｅｎｅｒｇｙｐｅｒｕｎｉｔｖｏｌｕｍｅＦ　Ｄｒａｇｆｏｒｃｅｏｆｄｒｏｐｌｅｔｓｆｘ,ｆｙ,ｆｚ 　ＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆＦ^Ｈｇ,^Ｈｌ 　Ｓｏｕｒｃｅｔｅｒｍｓｏｆｇａ…     

化学反应对超音速混合层发展的影响分析

超音速混合层流动发展的研究对于了解超音速燃烧过程具有重要意义.基于耦合详细化学反应动力学机理的高精度数值模拟,分析了化学反应对超音速混合层发展过程的影响.主要分析了在两种燃烧状态下化学反应对混合层的演化过程和混合层厚度的影响.此外从涡动力学角度,分析了化学反应对混合层厚度的影响机理.     

纳米颗粒在人类鼻腔中沉降率的研究

借助欧拉和拉格朗日方法数值模拟了纳米颗粒在人类鼻腔中的输运和沉降. 在采用有限体积法以及k-w湍流模型求解流场的基础上, 通过单向耦合的拉格朗日方法得出了水动力、热泳力和布朗力等综合作用下的纳米颗粒的运动轨迹以及沉降率. 研究发现, 非常微小的纳米颗粒在鼻腔内的沉降率非常高; 粒径在1~10nm的纳米颗粒在鼻腔中的沉降率从80%降至18%; 粒径在10sim150nm之间的纳米颗粒在鼻腔中的沉降率变化很小,且其值介于15%~18%之间.      

基于混合Lie算子辛算法的不变流形计算

平动点附近周期轨道的不变流形因其在低能轨道转移中起着重要作用而受到广泛关注.在设计低能轨道过程中不变流形要实时进行能量匹配,但利用传统数值积分方法进行积分时能量会耗散.显式辛算法具有比隐式辛算法计算效率高的优势,但其要求Hamilton系统必须分成两个可积的部分,而旋转坐标系下的圆型限制性三体问题是不可分的,因而显式辛算法难以用于求解旋转坐标系下的圆型限制性三体问题.本文通过引入混合Lie算子,成功实现了带三阶导数项的力梯度辛算法对圆型限制性三体问题的求解,并将基于混合Lie算子的带三阶导数项的辛算法与Runge-Kutta78算法和Runge-Kutta45算法进行仿真对比,仿真结果表明基于混合Lie算子的含有三阶导数项的辛算法位置精度高、能量误差小且计算效率高.利用基于混合Lie算子的带三阶导数项的辛算法计算不变流形,可以实现低能轨道转移过程中轨道拼接点的能量精准匹配.     

岩质圆形隧洞围岩应力场弹塑性新解

针对动态接触问题的有限元并行计算，提出了一种新的接触算法. 新算法引入局部拉氏 乘子技术来计算接触力. 由于同时考虑了无穿透的接触约束条件和相邻接触对的相互影响， 较之广泛使用的罚参数法，新算法使接触约束条件和系统平衡方程得到更充分的满足. 虽然 为提高接触计算精度而在局部采用了迭代技术，但算法仍然具有较高的效率，且与显式时间 积分方案完全相容. 此外，通过构造专门的区域分解方案，实现了将现有为串行程序开发的 搜索算法平滑移植到并行环境的目标. 数值算例表明，所提出的接触算法具有很好的并行性， 在保证了接触问题并行计算精度的同时，取得了满意的并行效率.     

一种改进的分块隐式数值方法

提出了一种改进的分块隐式数值方法，在贴体坐标和交错网格下以逆变速度分量和压力Ｕ，Ｖ，Ｗ，ｐ为基本求解变量，由此克服了原分块隐式数值方法求解复杂边界流动时的困难．９０°弯管流动数值计算初步表明，本文提出的方法合理、可行