固定网格下的特征线法求解溃坝问题

溃坝问题是典型的非线性双曲方程的Riemann问题,其数值求解的难点在于对间断面的捕捉以及避免间断面处在数值计算过程中产生数值色散,因而为求解此问题所产生的各种数值计算方法的优劣也体现在这两个方面。本文针对溃坝问题提出一种新的计算方法。该方法基于对偶变量推导的浅水波方程,根据方程的特点,从方程的特征值和黎曼不变量出发,采用高精度的激波捕捉方法计算黎曼不变量的位置随时间的变化,然后映射至不随时间变化的固定网格。根据黎曼不变量的位置,采用保形分段三次Hermite插值将物理量映射至网格节点。计算结果显示,该方法不仅操作简单,计算量小,而且结果准确。     

基于CFD的民用飞机水上迫降动力学仿真研究

针对民用飞机水上迫降动态冲击问题,采用数值仿真方法进行了研究.基于计算流体力学采用雷诺平均N–S方程求解,结合流体体积模型和全流场运动网格捕捉水?气交界面,求解六自由度方程获得飞机的位置和姿态.采用该方法研究了尾吊?高平尾布局飞机的水上迫降过程.结果表明,该方法可以较好地模拟水上迫降的运动和受力,入水早期飞机受到较大水...     

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。     

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。     

直接边界元法三维自由面兴波时域模拟

应用直接边界元法在时域中求解稳定航速运动的三维自由面兴波问题.基于格林定理,在所有边界面上划分网格,对边界积分方程进行数值离散,采用线性自由面边界条件,随时间步进更新自由面势.由于物体空间位置移动辐射条件不需要单独表述,迭代过程中自由面计算域保持不变.以割划水面NACA0024为例,计算模拟了自由面兴波稳定波形;提出了求解矩阵方程组奇异性的处理方法和解决割划问题的动网格技术.本文计算结果和有限体积法及有关试验结果对比表明,该方法是可靠的.     

Level set方法在自适应Cartesian网格上的应用

采用基于自适应Cartesian网格的level set方法对多介质流动问题进行数值模拟。采用基于四叉树的方法来生成自适应Cartesian网格。采用有限体积法求解Euler方程,控制面通量的计算采用HLLC（Hartern, Lax, van Leer, Contact）近似黎曼解方法。level set方程也采用有限体积法求解,采用Lax-Friedchs方法计算通量,通过窄带方法来减少计算量,界面的处理采用ghost fluid方法。Runge-Kutta显式时间推进,时间、空间都是二阶精度。对两种不同比热比介质激波管问题进行数值模拟,其结果和精确解吻合;对空气/氦气泡相互作用等问题进行模拟,取得令人满意的结果。     

剧变截面圆管内渗流的数值计算方法

对于剧变截面圆管的渗流问题写出不可压缩渗流的基本方程组,对直接求解原始变量(速度和压力)的数值计算方法作出改进。先由非主流方向的运动方程计算压力,后由主流方向的运动方程计算主流方向的速度分量,再由连续性方程计算非主流方向的速度分量。这样可以避免在一般的求解原始变量方法中由连续性方程计算压力时出现的困难和麻烦。根据本方法和剧变截面圆管的特点,采用半交错不等距非正交贴体混合网格系。本文详细写出差分方程和迭代计算公式,对剧变截面圆管内的渗流算例进行数值计算。本方法的优点是简单和实用,在工程上具有较大的应用价值。     

一种求解Euler方程的新型高阶精度数值方法

提出了一种求解Euler方程的新型高阶精度数值方法.该数值方法基于一种新的矢通量分裂格式,将矢通量项分裂成压力通量项和对流通量项.与传统矢通量分裂格式相比,新的矢通量分裂格式能够更好地捕捉特征场内的中间特征波,从而增强格式的分辨率.同时,为了提高这种矢通量分裂格式的空间精度,我们在近似求解压力通量项黎曼问题时对界面处的独立物理变量进行高阶插值.在时间步上,采用显式最优的三阶龙格-库塔方法进行推进.数值试验表明,与传统数值方法相比,本文提出的新方法同时具有高精度和高分辨率的优点.     

福建海岸带地质环境背景与海水入侵的形成条件探讨

提出一种新的网格自适应方法：在需要加密的网格单元中心加入新结点,并对加密后的相邻 三角形网格单元进行公共边变换, 构成新的网格单元. 与传统的在网格边界中点加入新节点的自 适应方法相比,新方法可以更加灵活地控制网格密度,加密后的网格继承原先的网格质量不 发生畸变,并且算法编程简便,容易实现. 将自适应网格生成方法和基于特征线方程的分离 算法相结合,对空腔内不可压缩黏性流动进行了计算. 在特征线方向上进行时间步离散,动 量方程求解过程中采用非增量型分离算法. 计算中,把求解变量梯度值作为判定准则,在 变化剧烈的区域进行网格局部加密. 计算结果表明该组合算法有很好的计算精度,并有效减 少了计算时间和存储量.     

结合自适应网格的基于特征线方程的分离算法

提出一种新的网格自适应方法:在需要加密的网格单元中心加入新结点,并对加密后的相邻三角形网格单元进行公共边变换, 构成新的网格单元. 与传统的在网格边界中点加入新节点的自适应方法相比,新方法可以更加灵活地控制网格密度,加密后的网格继承原先的网格质量不发生畸变,并且算法编程简便,容易实现. 将自适应网格生成方法和基于特征线方程的分离算法相结合,对空腔内不可压缩黏性流动进行了计算. 在特征线方向上进行时间步离散,动量方程求解过程中采用非增量型分离算法. 计算中,把求解变量梯度值作为判定准则,在变化剧烈的区域进行网格局部加密. 计算结果表明该组合算法有很好的计算精度,并有效减少了计算时间和存储量.      

基于相变松弛法则的水下爆炸空化模型研究

水下爆炸过程中存在着大量的空化现象,空化的产生、演化及其溃灭过程对于水下冲击波传播、爆炸气泡运动以及水下结构物冲击损伤都会产生重要影响。本文基于多相可压缩流体理论模型,考虑空化发生过程中汽-液两相流体亚平衡状态下两相之间发生的热力学-化学平衡机制,分析汽-液两相介质之间的质量和热量交换,从而实现对相变过程的自动捕捉。该系统的控制方程采用分步法处理,首先利用二阶MUSCL-Hancock格式和HLLC黎曼求解器来求解齐次双曲型方程,再采用牛顿迭代法求解相变方程。数值测试结果表明,本文的计算模型对于空化相变过程具有较好的捕捉能力。最后将该模型应用到水下近水面爆炸空化的数值模拟当中,研究发现空泡的溃灭压力峰值约为冲击波压力峰值的15%,有效作用时间是冲击波载荷有效作用时间的2倍以上。本文的空化相变模型能够为水下爆炸空化现象的机理研究提供重要支撑。     

一种追踪多介质流体界面运动的NND数值模拟方法

把界面捕捉等效方程、Level-Set方程和欧拉方程组耦合,在Stiffened状态方程下,采用高分辨率NND格式求解流体力学方程组并用Level-Set函数捕捉界面的位置。对二维情况下激波和气泡相互作用的问题进行数值模拟,并与波传算法的模拟结果进行比较。计算结果表明该方法能有效的抑制间断附近的非物理振荡,有很强的捕捉界面的能力。     

基于非结构网格求解二维浅水方程的高精度有限体积方法

采用HLL格式,在三角形非结构网格下采用有限体积离散,建立了求解二维浅水方程的高精度的数值模型.本文采用多维重构和多维限制器的方法来获得高精度的空间格式以及防止非物理振荡的产生,时间离散采用三阶Runge-Kutta法以获得高阶的时间精度.基于三角形网格,底坡源项采用简单的斜底模型离散,为保证计算格式的和谐性,对经典的HLL格式计算的数值通量中的静水压力项进行了修正.算例证明本文提出的方法的和谐性并具有高精度的间断捕捉能力和稳定性.     

求解对流扩散方程的一种高效的有限体积法

考虑无结构三角网格上求解对流扩散方程的有限体积法.引入一种梯度函数的计算方法,将现有方法中计算解变量在网格单元中心和网格单元边界的梯度的两个独立过程改造成一个过程来完成,发展了一种求解对流扩散方程的高效的有限体积法.数值实验结果表明,该方法完全达到了已有方法同样的精度,而在计算速度上有明显的提高.     

奇异边界法求解多连通域的瞬态热传导问题

提出一种基于奇异边界法结合双重互易法的数值模型来求解瞬态热传导问题。奇异边界法属于配点型边界无网格方法,相对于网格方法,其具有无需划分网格,只需边界配点的优势。运用差分格式来处理热传导方程中的时间变量,将原热传导方程化为非齐次修正Helmholtz方程。修正Helmholtz方程的解由齐次解和特解两部分组成,齐次解通过奇异边界法求出,特解由双重互易法求出,源项由径向基函数近似。通过数值算例检验了本文数值模型的精度及有效性;算例结果表明,该数值模型计算精度较高,误差基本都在1%以内,具有很好的稳定性,能有效地应用于求解多连通域的瞬态热传导问题。     

弹性薄板弯曲问题的双互易杂交边界点法

基于一种板的修正变分泛函,将杂交边界点法与双互易法结合,用于薄板弯曲问题的分析。该方法将问题的解分为齐次方程的通解和非齐次的特解两部分,特解采用径向基函数插值得到,而通解则使用杂交边界点法求解。在杂交边界点法用于求解通解的列式过程中,边界变量采用移动最小二乘近似,域内变量则采用基本解插值。与有限元法相比,该方法仅需要边界上离散点的信息,无论插值还是积分都不需要网格,域内点仅用来插值非齐次项,因而仍是一种纯边界类型的无网格方法。数值算例表明,本文方法能以很少的计算自由度获得与其它方法同样的计算精度,且具有前后处理简单、收敛速度快等优点,适合于求解工程中各种薄板的弯曲问题。     

基于三角网格的四阶Hermite型对流守恒格式

提出一种基于三角网格的求解双曲对流方程的高阶守恒型格式.该格式首先在每个三角单元上重构二元三次Hermite插值多项式,以当前时刻单元节点处解的函数值、一阶空间导数值和该单元的积分平均值为插值条件.然后,利用Semi-Lagrange方法得到单元节点处的下一时刻解的函数值及导数值,而下一时刻的解的单元积分平均值由有限体积方法得到.本文所提出的格式将原始CIP方法从结构网格推广到非结构网格上,使得CIP方法能灵活地用于处理复杂边界问题.该格式为显式紧致格式,计算简单且易于实现.数值实验表明,该格式对于光滑解问题能达到四阶空间精度,而对于非光滑解问题能准确地捕捉激波的位置,改进了原始CIP格式的不守恒性.     

HIGH-ORDER DISCONTINUOUS GALERKIN SOLUTION OF N-S EQUATIONS ON HYBRID MESH

针对层流NS方程发展了混合网格上的高阶间断有限元方法,给出了物面边界高阶近似的具体步骤以及近物面弯曲单元的处理方法。对数值离散产生的非线性方程组采用牛顿迭代进行求解,每个牛顿循环采用预处理广义最小余量法求解产生的大型稀疏线性系统。使用该方法得到了典型算例的数值结果,并跟前人的计算结果进行了比较。计算结果表明,混合网格上应用高阶间断有限元方法求解黏性流动具有很好的应用前景。     

求解一维理想磁流体方程的移动网格熵稳定格式

磁流体方程的数值求解在等离子体物理学、天体物理研究以及流动控制等领域具有重要意义,本文构造了用于求解理想磁流体动力学方程的基于移动网格的熵稳定格式,此方法将Roe型熵稳定格式与自适应移动网格算法结合,空间方向采用熵稳定格式对磁流体动力学方程进行离散,利用变分法构造网格演化方程并通过Gauss-Seidel迭代法对其迭代求解实现网格的自适应分布,在此基础上采用守恒型插值公式实现新旧节点上的量值传递,利用三阶强稳定Runge-Kutta方法将数值解推进到下一时间层。数值实验表明,该算法能有效捕捉解的结构(特别是激波和稀疏波),分辨率高,通用性好,具有强鲁棒性。     

流动问题无网格Galerkin方法的稳定化方案研究

直接运用无网格Galerkin方法求解对流占优的非线性对流扩散方程及纯对流方程,会出现数值伪振荡现象。本文基于无网格Galerkin方法,构造了MFSUPG(Meshfree Streamline Upwind Petrov-Galerkin),MF-GLS(Meshfree Galerkin Least-Square),MFSGS(Meshfree Sub-Grid Scale)及MFLS(Meshfree Least-Square)四种稳定化方案。数值实验表明:四种稳定化方案中,MFLS的通用性最强。耦合MFLS的无网格Galerkin方法能很好地求解对流占优的非线性对流扩散方程及纯对流方程,具有计算精度高、稳定性好、前后处理方便、算法实施简单的优点,并能捕捉解的大梯度变化。