结合并行策略与距离减缩法的搜索算法及其在CAA中的应用

为提高流场与声场信息传递效率,建立了一种耦合MPI并行策略与改进距离减缩法的搜索算法。在完成点搜索后,采用一种适合于结构和非结构网格的形函数插值算法进行流场插值,实现了流场信息从流场网格到声场网格的快速传递。针对网格点搜索算法效率的验证,选用二维30P30N三段翼为研究对象,在不同的子进程数下进行对比分析。结果表明,相对于传统的距离减缩算法,本文提出的改进算法能有效提高CAA网格点的搜索效率,并且效率随着子进程数的增加而提高。在此基础上,将建立的流场与声场信息传递技术模块应用于CAA方法中,并对二维NACA0012翼型的后缘噪声问题进行计算分析,计算结果反映基于流场与声场信息快速传递算法的CAA方法能有效模拟宽频气动噪声问题。     

非结构重叠网格方法研究及应用

航空、航天和兵器技术等领域的研究中存在大量包含运动边界的流场。非结构重叠网格方法是一种高效的处理动边界问题的新方法。围绕相对运动的每个物体单独生成非结构网格,在网格重叠区域通过搜索和插值完成网格系之间的信息传递,提出了动态八叉树搜索算法,发展了绝对坐标系和相对坐标系相结合的流场求解方式,采用二阶精度Van Leer/Hanel格式和四阶Runge-Kutta法分别进行空间和时间离散,形成了一种新的非结构重叠网格算法。对三维Riemann问题的求解结果与精确解能很好吻合,证明了本文的重叠网格算法具有较好的时空离散精度和插值精度。对7.62mm步枪射击过程进行了数值模拟,描述了弹丸离开膛口后膛口流场的发展过程,与实验结果体现的发展过程较为吻合,验证了本文提出的非结构网格算法体系具有较好的计算性能,是研究含动边界复杂流场的一种有效手段。     

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.      

基于Navier-Stokes／Kirchhoff方程的悬停旋翼跨声速气动声学计算

研究了Kirchhoff积分面是否有盖有底,以及是否计及旋翼网格上的流场值,这两个因素对噪声预测结果的影响.发展了一种基于重叠网格的计算悬停旋翼远场噪声的数值方法.数值计算过程分为流场模拟和声场模拟两部分.悬停旋翼流场的数值模拟是在两个相互重叠的网格上进行的:在高质量的旋翼网格上求解Navier-Stokes方程,用于模拟旋翼附近的粘性流动和近场尾涡的捕捉;在远离粘性区域处布置符合悬停流场物理特征的圆柱形背景网格,控制方程为Euler方程,用于远场尾涡的捕捉.计算得到的流场信息插值到用于声场计算的Kirchhoff积分面上.观测点处的噪声可以认为是由这个完全包含桨叶的Kirchhoff积分面上的面元(声源)发声得到.远场声波的传播由Kirchhoff积分公式描述.计算结果表明:采用有盖有底的Kirchhoff积分面并且同时计及旋翼网格流场值时,计算得到的HSI噪声与实验值吻合最好.     

基于人工神经网络的非结构网格尺度控制方法

网格自动化生成和自适应是制约计算流体力学发展的瓶颈问题之一, 网格生成质量、效率、灵活性、自动化程度和鲁棒性是非结构网格生成的关键问题. 在非结构网格生成中, 网格空间尺度分布控制至关重要, 直接影响网格生成质量、效率和求解精度. 采用传统的背景网格法进行空间尺度分布控制需要在背景网格上求解微分方程得到背景网格上的尺度分布, 再将网格尺度从背景网格插值到真实空间点, 过程十分繁琐且耗时. 本文从效率和自动化角度提出两种网格尺度控制方法, 首先发展了基于径向基函数(RBF)插值的网格尺度控制方法, 通过贪婪算法实现边界参考点序列的精简, 提高了RBF插值的效率. 同时, 还采用人工神经网络进行网格尺度控制, 初步引入相对壁面距离和相对网格尺度作为神经网络输入输出参数, 建立人工神经网络训练模型, 采用商业软件生成二维圆柱和二维翼型非结构三角形网格作为训练样本, 通过训练和学习建立起相对壁面距离和相对网格尺度的神经网络关系. 进一步实现了二维圆柱、不同的二维翼型的尺度预测, RBF方法和神经网络方法的效率与传统背景网格法相比提高了5~10倍, 有助于提高网格生成的效率. 最后, 将方法推广应用于各向异性混合网格尺度预测, 得到的网格质量满足要求.      

一种新型高鲁棒性动网格技术及其应用

首先对四元数进行李代数空间指数映射,解决了多个四元数插值问题,并结合距离倒数插值方法实现网格边界扰动向空间网格的传播,建立了新型高鲁棒性的四元数变形网格技术. 针对该型动网格技术中由于大型矩阵运算量引起的运算效率低问题,同时利用四元数方法在动网格变形中具备与物面边界高阶一致性的特点,提出了分层次变形策略,避免了面向全流场网格节点的大型矩阵运算;进一步基于无限插值技术较强的逻辑保持能力,建立了面向结构网格分层混合变形方法. 充分利用多区域重叠、对接网格变形技术中隐含的并行性,基于对等式编程思想及MPI 库函数对动网格程序进行并行化编程,建立了高效高鲁棒性的变形网格技术. 以某型客机翼身组合体气动弹性分析为范例,研究了不同方法之间的计算效率以及鲁棒性,进一步将分层混合变形网格技术应用于某型支线客机全机型架外形设计与修正,验证了所建立的新型动网格技术的高效性与鲁棒性.      

一种分子运动和碰撞双重网格DSMC方法研究

基于非结构网格与直角网格相结合的策略,提出一种分子运动和碰撞双重网格DSMC实现方法。通过分子的位置坐标信息,实现运动网格与碰撞网格信息交互,从而结合非结构网格的贴体性和直角网格易于控制子网格数量的优点,同时提出并实现了基于MCS自适应的动态子网格技术以有效限制分子平均碰撞距离,提高了DSMC方法的通用性和计算精度。通过对超声速圆柱绕流和扩张管道的数值模拟,验证该方法的有效性和高精度性。数值结果表明,本文提出的基于分子运动和碰撞双重网格的DSMC方法提高了流场的分辨率,且通过基于MCS自适应的动态子网格技术,有效地降低了流场的平均碰撞距离,提高了碰撞质量和计算精度。     

带制退器的膛口射流噪声数值模拟与实验研究

为了研究膛口装置对膛口噪声气动特性的影响,对带膛口制退器的某小口径武器的膛口射流噪声进行了数值模拟和实验研究。采用计算流体力学CFD (computational fluid dynamics)-计算气动声学CAA (computational aeroacoustics)耦合算法对膛口噪声进行数值模拟,即对膛口流场进行瞬态CFD模拟,获取流场数据,然后利用所得到的结果采用声学方程模拟声源信息求解声场。基于数值模拟结果,分析了膛口流场变化及噪声的指向性分布,并与实验结果进行了对比。研究表明：膛口制退器的安装改变了膛口流场结构,影响了膛口射流噪声的指向性分布。计算结果与实验结果的误差小于9%,验证了该计算方法的可行性。研究结果可为膛口射流噪声的预测及膛口制退器的设计提供一定的参考。

     

采用自适应直角网格计算三维增升装置绕流

针对三维增升装置绕流，对存在剪刀叉的不连续外形，基于自适应直角网格，提出并介绍了分区和面搭接技术，采用变长宽比网格，进行了直角网格生成和流场Euler方程数值计算. 根据几何外形的特点，在直角网格生成过程中，以外形不连续面作为分区边界，对初始``根'网格实施分区处理，降低了整个网格的生成难度. 通过基于外形的自适应网格加密，详细描述了剪刀叉外形和缝道，提高了网格质量. 在分区边界面上，基于面搭接技术，构造重叠面积切割算法，实现边界两侧网格间的流场信息传递，保证流场计算中的通量守恒. 采用中心有限体积方法，结合双时间推进算法，完成了两段机翼、带增升襟翼翼身组合体绕流流场的Euler方程数值模拟，对计算结果与实验数据进行了对比，验证了所提方法、算法的合理性和实用性.     

基于优化模型的结构声学耦合界面载荷传递算法

针对结构声学耦合系统的界面载荷传递问题,提出了一种基于约束最优化模型的局部参数插值算法。耦合界面处结构和流体单元表面坐标通过各自的形状函数进行插值,把界面载荷在互不匹配的网格节点间的传递问题转化为一个点到用自然坐标表示的有限边界曲面的最小距离问题,以便利用成熟稳定的优化算法对其进行高效求解。与已有方法相比,该算法在耦合界面单元为曲面的情况下仍能保持较高的计算精度。本文给出的数值算例验证了本算法的有效性和可靠性。     

格子玻尔兹曼法多块网格的交界结构优化研究

基于格子玻尔兹曼方法LBM(Lattice Boltzmann Method)对多块网格方法(Multi-Block)的粗细网格交界结构进行了研究,提出了一种新的优化处理方案。解决了原有网格交界结构存在的三个问题,即两套插值运算造成的程序结构复杂的问题,存储前几个时间步的节点流场数据以备插值运算造成内存浪费的问题和基于时间插值结果进行空间插值计算造成插值误差积累的问题。用一次多点二维空间插值的方式,将原方法的空间和时间双插值,简并成一次空间插值。通过对经典的非定常的圆柱绕流算例和定常的标准顶盖方腔驱动流算例的仿真模拟,验证了交界面处质量、动量及应力的连续性以及网格交界面数据过渡的流畅度,最终验证了改进方法的正确性。数值模拟结果表明,改进后多块算法可实现局部网格细化,进一步推动LBM方法在实际工程问题中的应用。     

THE NUMERICAL STUDY OF LATTICE BOLTZMANN METHOD BASED ON DIFFERENT GRID STRUCTURE

传统的格子波尔兹曼方法(lattice-Boltzmann method, LBM)通常基于标准均匀网格, 这主要取决于速度的空 间离散格式.均匀网格结构的特点, 使LBM在处理具有复杂边界的问题时遇到较大的困难, 从而限制了它的应用.另外, 对于较为复杂的流动, 其流场存在流动变化剧烈和平缓的区域, 在流动变化剧烈的区域, 往往需要足够的网格点才能更好地捕捉到流场信息, 而均匀网格会使得网格数量过多, 这会增加计算量, 但网格数量过少又无法获得必要的流场信息, 使LBM的计算效率降低.为了解决上述问题, 用不同的网格结构, 以顶盖驱动的腔体内流、柱体绕流和翼型绕流为例, 探讨了提高LBM算法的计算效率和适用性问题.     

非概率区间模型可靠性指标的梯度投影算法

考虑不确定参数为区间变量,研究求解非概率可靠性指标的有效搜索算法.基于函数梯度法的基本思想,构造搜索方向,建立迭代算法格式,将传统的用于概率可靠性分析的梯度投影法用于非概率可靠性指标的求解.当收敛点为非最可能失效点时,提出了空间降维算法,并给出了整个搜索算法的计算步骤.通过数值算例,验证了本文提出的搜索迭代算法的有效性和正确性.     

基于差分进化和RBF响应面的混合优化算法

针对气动优化等昂贵优化问题,提出了一种基于差分进化和RBF响应面的混合优化算法HSADE,该方法结合了差分进化算法的强全局寻优能力和RBF响应面方法的快速局部搜索能力,能够同时有效地提高算法的局部搜索效率和全局寻优能力.对各子算法中的策略和逻辑进行了多项改进,提出和应用了基于双败淘汰赛的竞赛赛制和参数自适应等改进策略.对HSADE使用多个典型算例进行了测试,并横向对比了NSGA-II,MOPSO和多目标差分进化算法.测试结果表明,在大多数问题中HSADE在以世代距离表征的局部搜索效率和以超体积比表征的全局寻优能力两项指标上都优于其他算法,证实了以上混合策略及算法改进的有效性.将该算法应用于一个翼型优化问题和一个二维超声速喷管膨胀面优化问题,并横向对比未经改良的差分进化算法DE和另一种混合算法NARSGA,结果表明在接近1 000次的函数评估下,HSADE能相对其他算法进一步对翼型减阻0.5 count,在喷管优化中HSADE得到的结果也好于其他两种算法,表明该方法具有较强工程应用价值.     

基于局部搜索算法的自然邻接点方法

自然邻接点方法(NNM)采用自然邻接点形函数进行插值，其插值形函数具有严格定义，且与 有限元形函数一样形式简洁、性能优良，因而避免了EFG法里难以准确施加位移边界条件和 材料不连续条件等诸多主要困难. 但是从形式上看自然邻接点方法仍然属于有网格的方法， 其研究和应用受到了较大的限制. 为了克服这个缺点，对于任意给定的数值积分点，提出了 一种基于局部搜索自然邻接点的寻找算法对NNM进行改进. 改进后的NNM与无单元伽辽金法 (EFG)的插值和求解过程类似，兼具有EFG的真正无网格特性及NNM的便于处理边界和材料 不连续条件等优点. 所得计算结果表明，改进后的NNM的计算精度和计算时间与NNM相当， 是一种比较理想的数值求解方法.     

基于混合网格Navier-Stokes方程的并行隐式计算方法研究

针对结构网格很难处理复杂外形和非结构网格无法计算具有边界层的粘性流动的缺点,发展了基于混合网格格点的隐式算法,成功地解决了在工程应用中难于处理的复杂外形粘性流场计算和效率问题。同时针对大规模的工程问题,发展了基于MPI通信技术的染色分层通讯并行计算方法。其中空间离散采用基于Roe格式发展的三阶迎风HLLEW(Harten-Lax-Van Leer-Einfeldt-Wada)或AUSM格式,湍流模型采用k??两方程湍流模型,时间推进考虑到LU-SGS并行等效较困难则采用基于DP-LUR(Data-Parallel Lower-Upper Relaxation)格式的隐式算法,计算CFL数可取到105量级,从2个到128个CPU的并行加速效率都保持在90%以上,大大提高了计算效率。算例对标模M6机翼模型流场进行计算,验证了方法的可靠性;然后对标模DLR-F6翼身组合体进行混合网格粘性与无粘计算结果进行比较,进一步验证混合网格方法;最后计算了DLR-WBNP外挂发动机翼身组合体模型,准确模拟了外挂和超临界机翼的相互干扰流动问题,采用4 CPU 16 CORE到24 CPU 96 CORE,2000步计算时间都不超...     

THE PROGRESS OF THE OVERLAPPING GRID TECHNIQUES

从网格装配和插值计算两个主要方面对现有的重叠网格方法进行了综述。首先,从挖洞方法和建立嵌入网格关系环节的寻点技术出发归纳和介绍了网格装配方法;其次,介绍了数值迭代过程中的插值计算方法,并特别讨论了插值守恒性以及插值计算精度等问题;另外,对重叠网格方法的并行计算和应用成果也作了介绍;最后,通过总结认为重叠网格方法在改进网格装配方法、改善插值和并行计算效率等方面仍需进一步研究。     

基于SIMPLER算法的多重网格方法研究

以二维方腔顶盖驱动流为模型,将多重网格方法和SIMPLER算法进行耦合,对不同雷诺数下多重网格加速SIMPLER算法和SIMPLER算法的计算效率进行了对比,数值计算表明:多重网格加速SIMPLER算法不仅能够解决SIMPLER算法不能准确模拟较高雷诺数流场的问题,而且其计算效率远远高于SIMPLER算法.本文也对松弛因子的选取、多重网格实现形式以及网格层数对多重网格加速SIMPLER算法的影响进行了研究,从而为多重网格加速SIMPLER算法的实施提供了计算技术.     

重叠网格方法的研究进展

从网格装配和插值计算两个主要方面对现有的重叠网格方法进行了综述。首先,从挖洞方法和建立嵌入网格关系环节的寻点技术出发归纳和介绍了网格装配方法;其次,介绍了数值迭代过程中的插值计算方法,并特别讨论了插值守恒性以及插值计算精度等问题;另外,对重叠网格方法的并行计算和应用成果也作了介绍;最后,通过总结认为重叠网格方法在改进网格装配方法、改善插值和并行计算效率等方面仍需进一步研究。     

离心叶轮气动声场的数值计算与分析

采用SIMPLEC算法对Ghost叶轮的三维非定常流场进行了数值模拟。利用计算所得流场结果并结合Lighthill和Lowson声学方程计算了由叶片表面非定常脉动力产生的气动噪声。计算结果表明:气动噪声的峰值主要集中在基频及其谐波附近;与静止的点声源相比,运动的点声源不仅使声场存在明显的多普勒效应,还会使声场的强度产生较大的变化;但对转速恒定的旋转点声源,加速度的变化对声场的影响可以忽略;从声场的分布来看,整个旋转叶轮可以看成是一个按简谐变化的偶极子源,数值计算结果与理论分析的结果吻合良好。