无网格法在三维复杂超音速流场模拟中的应用研究

对最小二乘无网格方法在含复杂外形三维超音速流场中的应用进行了研究.选用分解法求解采用最小二乘法得到的对称方程组,针对最小二乘无网格方法的计算特点生成近似正交均匀分布的离散点,对B1AC2R常规导弹超音速流场采用最小二乘无网格方法进行了无粘数值模拟,计算了B1AC2R常规导弹在不同攻角下的轴向力、法向力及俯仰力矩系数,并将数值结果与实验结果进行了比较.结果表明,最小二乘无网格方法在求解含复杂外形超音速流场时具有较高的准确度,将其应用于三维含复杂外形超音速流场的模拟是完全可行的.     

含化学反应膛口流场的无网格数值模拟

基于无网格方法,对包含大位移运动边界和非平衡化学反应的膛口流场进行了数值模拟。所发展算法是基于线性基函数最小二乘显式无网格方法,忽略黏性及湍流的影响,对流场采用ALE(arbitrary Lagrangian-Eulerian)形式的Euler方程描述,对流通量和化学反应源项采用多组分HLLC(Harten-Lax-van Leer-Contact)格式和有限速率反应模型计算,对于运动边界造成的点云畸形采用局部点云重构方法处理,重构过程中采用虚拟边阵面推进。对圆柱绕流和激波诱导燃烧流场进行了数值模拟,验证了重构方法和化学反应计算的有效性。最后对12.7 mm口径机枪膛口流场进行了模拟,结果同实验照片、非结构网格方法结果吻合较好,数值结果清晰地再现了膛口初始冲击波、膛口冲击波、欠膨胀射流波系结构的动力学发展过程,以及膛口焰的时间、空间分布特征。     

三维复杂流动的间断有限元方法模拟

本文基于三维可压缩Euler方程,采用基于Runge-Kutta时间离散的间断有限元方法(RKDG方法),对三维前台阶、三维Riemann问题和球Riemann等问题进行了模拟。结果表明,本文的RKDG方法能够在很少的网格内清晰地捕捉到三维复杂流场中的激波和接触间断;同时,将球Riemann问题中z=0.4平面压强沿到对称轴距离的分布与文献中的近似精确解相比,吻合较好,这也验证了本文的RKDG方法不仅能够进行三维复杂流场的定性描述,也能够应用于三维复杂流场的定量计算。     

非结构动网格在多介质流体数值模拟中的应用

采用非结构动网格方法对含多介质的流场进行数值模拟.采用改进的弹簧方法来处理由于边界运动而产生的网格变形.采用基于格心的有限体积方法求解守恒型的ALE(Arbitrary Lagrangiall-Eulerian)方程,控制面通量的计算采用HLLC(Hartem,Lax,van Leer,Contact)方法,采用几何构造的方法使空间达到二阶精度,时间离散采用四阶Runge-Kutta方法.物质界面的处理采用虚拟流体方法.本文对含动边界的激波管、水下爆炸等流场进行数值模拟,取得较好的结果,不同时刻界面的位置和整个扩张过程被准确模拟.     

计算含大位移动边界非定常流动的无网格算法

研究了可以计算处理包含大位移动边界非定常流动的无网格算法.创建了无网格方法中由于大位移边界运动造成的不合要求点的判断标准,采用高效的填充方法实现点云重构,运用线性插值方法得到新点参数,实现了局部重构处理大位移动点.流场计算方面,在计算域自动布点基础上,采用曲线逼近计算导数及HLLC格式计算数值通量,发展了求解基于无网格的ALE方程组的算法.最后,对活塞问题进行了模拟,结果与解析解相吻合,验证了算法的准确性;另外,计算比较了气流流过静止圆柱以及圆柱在静止流场运动流场,结果表明方法是成功的.     

机动弹头高超声速粘性绕流数值模拟

采用空间二阶精度的交替方向隐式分解的NND格式求解完全气体假定下的非定常薄层近似NaVierStokes方程,并采用抛物化的椭圆型方程生成复杂带翼弹头的空间网格.最后给出了机动弹头在M∞=7.3,α=20°下的流场计算结果.计算结果表明本文所采用的计算网格及计算方法可以适用于高超声速复杂流场的数值模拟.     

一类面向高阶精度自适应流动计算的流场插值方法

网格自适应技术和高阶精度数值方法是提升计算流体力学复杂问题适应能力的有效技术途径. 将这两项技术结合需要解决一系列技术难题, 其中之一是高阶精度流场插值. 针对高阶精度自适应流动计算, 提出一类高精度流场插值方法, 实现将前一迭代步网格中流场数值解插值到当前迭代步网格中, 以延续前一迭代步中的计算状态. 为实现流场插值过程中物理量守恒, 该方法先计算新旧网格的重叠区域, 然后将物理量从重叠区域的旧网格中转移到新网格中. 为满足高阶精度要求, 先采用k-exact最小二乘方法对旧网格上的数值解进行重构, 获得描述物理量分布的高阶多项式, 随后采用高阶精度高斯数值积分实现物理量精确地转移到新网格单元上. 最后, 通过一个具有精确解的数值算例和一个高阶精度自适应流动计算算例验证了本文算法的有效性. 第一个算例结果表明当网格规模固定不变时, 插值精度阶数越高, 插值误差越小; 第二个算例显示本文方法可以有效缩短高精度自适应流动计算的迭代收敛时间.      

非结构混合网格高超声速绕流与磁场干扰数值模拟

对均匀磁场干扰下的二维钝头体无粘高超声速流场进行了基于非结构混合网格的数值模拟.受磁流体力学方程组高度非线性的影响及考虑到数值模拟格式的精度,目前在此类流场的数值模拟中大多使用结构网格及有限差分方法,因而在三维复杂外形及复杂流场方面的研究受到限制.本文主要探索使用非结构网格(含混合网格)技术时的数值模拟方法.控制方程为耦合了Maxwell方程及无粘流体力学方程的磁流体力学方程组,数值离散格式采用Jameson有限体积格心格式,5步Runge-Kutta显式时间推进.计算模型为二维钝头体,初始磁场均匀分布.对不同磁感应强度影响下的高超声速流场进行了数值模拟,并与有限的资料进行了对比,得到了较符合的结果.     

弹性力学的复变量无网格流形方法

为克服无网格流形方法配点过多、计算速度慢、容易形成病态方程组等缺点,将复变量移动最小二乘法与无网格流形方法相结合,提出了弹性力学的复变量无网格流形方法。分别采用线性基本与二次基进行计算,并与无网格流形方法相比。研究表明该方法计算量小、精度高。     

复杂无粘流场数值模拟的矩形/三角形混合网格技术

建立了一套模拟复杂无粘流场的矩形／三角形混合网格技术，其中三角形仅限于物面附近，发挥非结构网格的几何灵活性，以少量的网格模拟复杂外型；同时在以外的区域采用矩形结构网格，发挥矩形网格计算简单快速的优势，有效地克服全非结构网格计算方法需要较大内存量和较长ＣＰＵ时间的不足．混合网格系统由修正的四分树方法生成．将ＮＮＤ有限差分与ＮＮＤ有限体积格式有机地融合于混合网格计算，消除了全矩形网格模拟曲边界的台阶效应，同时保证了网格间的通量守恒．数值实验表明本方法在模拟复杂无粘流场方面的灵活性和高效性．     

沉底水雷爆炸威力的数值计算

采用冲击波物理中的阻抗匹配镜像线方法处理物质交界面,利用无网格光滑粒子流体动力学法(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法模拟沉底装药的水下爆炸过程,得到了不同方向不同爆距处的峰值压力反射系数,分析了爆炸流场参量分布和变化规律,研究了不同水底砂层厚度和不同装药量对爆炸冲击波传播和流...     

用鲁棒Riemann求解器和运动重叠网格计算旋翼粘性绕流

发展了一种基于鲁棒Riemann求解器和运动重叠网格技术计算直升机悬停旋翼流场的方法。基于惯性坐标系,悬停旋翼流场是非定常流场,控制方程为可压缩Reynolds平均Navier-Stoke方程,其对流项采用Roe近似Reimann求解器离散,使用改进的五阶加权基本无振荡格式进行高阶重构,非定常时间推进采用含牛顿型LUSGS子迭代的全隐式双时间步方法。为实施旋转运动和便于捕捉尾迹,计算采用运动重叠网格技术。计算得到的桨叶表面压力分布及桨尖涡涡核位置都与实验结果吻合较好。数值结果表明:所发展方法对桨尖涡具有较高的分辨率,对激波具有较好的捕捉能力,该方法可进一步推广到前飞旋翼粘性绕流的计算。     

计算含动边界非定常流动的无网格算法

在无网格算法中考虑了含动边界的流动问题,研究了可以计算处理包含一定位移及扭转动边界非定常流动的算法.创建了无网格算法的动点法则,并引入抗扭方法对弹簧方法进行改进来处理离散点运动,提高了方法的可用度及精度.发展了求解基于无网格的ALE方程组的算法,在点云离散的基础上采用曲面逼近计算空间导数及HLLC格式计算数值通量,运用四步龙格-库塔法进行时间推进.在跨、超音速条件下,计算模拟了典型翼型简谐振动流场,计算结果与实验结果及文献对比吻合,验证了该算法的正确性.     

线化欧拉方程的高阶间断有限元数值解法研究

采用高阶间断有限元法于非结构网格上针对复杂外形数值求解声学控制方程------线化欧拉方程. 背景流场采用有限体积法于结构网格求得, 一种高精度数据传递方法将基于有限体积法的背景流场数据传递到声场计算所采用的较为稀疏的非结构网格上, 保证了背景流场信息的完整和精确. 为提高计算效率, 采用了一种更为直接的Quadrature-FreeImplementation技术以及网格分区并行技术. 数值结果表明采用高阶的情况下即使在稀疏的网格上也可以捕捉到细微的声场结构.      

一种改进混合迎风格式在翼型流场激波捕捉中的应用

波阻是飞行器超音速飞行的关键设计因素,精确捕捉激波在流场中的位置,是数值模拟含激波流场和精确计算波阻的一个重要研究内容.本文基于网格节点有限体积空间离散方法,采用AUSM格式与FVS格式的混合格式(MAUSM方法)计算对流通量,从而抑制在数值模拟流场出现的激波处振荡和过冲现象,确保AUSM准确捕获接触间断的特性和FVS格式捕捉激波的能力.本文使用MAUSM方法分别计算了在跨声速和超声速条件下的NACA0012翼型流场,并与中心差分格式的计算结果进行比较.结果表明,对于存在激波的翼型流场,MAUSM方法是有效的.     

钝头体激波诱导振荡燃烧现象的数值模拟

采用一种改进的化学非平衡流解耦方法对轴对称Euler反应流方程解耦处理,对流项采用五阶WENO格式离散,化学反应源项的刚性采用简化的隐式方法处理,时间步进采用二阶精度的Runge-Kutta方法,对H₂/Air预混气在来流Ma=4.48和Ma=4.79时的激波诱导振荡燃烧现象进行了数值研究. 对比分析了网格尺度的影响,发现计算结果对法向网格尺度比较敏感,流向网格密度的变化对结果影响不大;Ma=4.48时,采用敏感性分析方法对各反应模型进行了对比分析,J和B-W模型在实验所处的温度和压力范围内能够比较准确的预测诱导时间,所得的振荡频率与实验结果相符,所揭示的振荡机理与McVey和Toong振荡机理吻合,而JM模型预测的诱导时间偏长,其振荡频率低于实验观测值;Ma=4.79时,J模型所得的振荡频率与实验值吻合,而B-W模型释热时间短,且对流场波动比较敏感,流场扰动引起了瞬时局部爆震现象,破坏了振荡的规律性;五阶WENO空间离散格式的应用使计算结果精度较好.      

瞬态热传导问题的无网格法快速求解算法研究

为了提高基于Galerkin弱积分形式的无网格方法求解瞬态热传导问题的计算效率,提出了两种方案:第一种方案在空间离散上采用基于任意凸多边形节点影响域的无网格形函数,并通过选取适当的节点影响半径因子,使背景网格内的积分点仅对该背景网格内的无网格节点有贡献,从而避免了节点搜索问题,减少了系统刚度矩阵的带宽,且当节点影响半径因子为1.01时,无网格方法的形函数近似具有插值特性;第二种方案在求解线性方程组时,引入质量矩阵集中技术,从而避免了系统方程组的求解.二维矩形区域、二维圆形区域的瞬态热传导数值算例结果表明:在保证计算精度的同时,采用任意多边形节点影响域的无网格方法比传统无网格方法的计算时间至少节省44.09%,采用质量矩阵集中技术的无网格方法比传统无网格方法的计算时间至少节省76.15%,且当节点影响半径因子为1.01时,其本质边界条件的施加和有限元方法一样简单;由于采用质量矩阵集中技术的无网格方法比采用任意多边形节点影响域的无网格方法精度较低,因此如仅从计算效率考虑,对精度要求不是很高(误差在5%以内),建议采用质量矩阵集中技术,如同时考虑计算精度和效率,建议采用多边形节点影响域的技术.     

基于单位分解法的无网格数值流形方法

在数值流形方法和单位分解法的基础上，提出了无网格数值流形方法. 无网格数值流形 方法在分析时采用了双重覆盖系统，即数学覆盖和物理覆盖. 数学覆盖提供的节点形成求解 域的有限覆盖和单位分解函数；而物理覆盖描述问题的几何区域及其域内不连续性. 与原有 的数值流形方法相比，无网格数值流形方法的数学覆盖形状更加灵活，可以用一系列节点的 影响域来建立数学覆盖和单位分解函数，具有无网格方法的特性，从而摆脱了传统的数值流 形方法中网格所带来的困难. 与无网格方法相比，由于采用了有限覆盖技术，试函数的构造 不受域内不连续的影响，克服了原有的无网格方法在处理不连续问题时所遇到的困难. 详细推导了无网格数值流形方法的试函数和求解方程，最后给出了算例，验证了该方法的正 确性.     

无网格方法的研究进展与展望

目前正在发展的无网格方法采用基于点的近似,可以彻底或部分地消除网格,因此在处理不连续和大变形问题时可以完全抛开网格重构。无网格方法是目前科学和工程计算方法研究的热点,也是科学和工程计算发展的趋势。本文首先简单地阐述了无网格方法,然后详细叙述了目前提出的各种无网格方法的研究进展,最后对目前无网格方法存在的问题进行了探讨,提出了今后的研究方向。     

全机绕流Euler方程多重网格分区计算方法

全机三维复杂形状绕流数值求解只能采用分区求解的方法,本文采用可压缩Euler方程有限体积方法以及多重网格分区方法对流场进行分区计算。数值方法采用改进的van Leer迎风型矢通量分裂格式和MUSCL方法,基于有限体积方法和迎风型矢通量分裂方法,建立一套处理子区域内分界面的耦合条件。各个子区域之间采用显式耦合条件,区域内部采用隐式格式和局部时间步长等,以加快收敛速度。计算结果飞机表面压力分布等气动力特性与实验值进行了比较,二者基本吻合。计算结果表明采用分析“V”型多重网格方法,能提高计算效率,加快收敛速度达到接近一个量级。根据全机数值计算结果和可视化结果讨论了流场背风区域旋涡的形成过程。