各向同性湍流大涡模拟中Roe格式适用性研究

已有的研究表明激波捕获Roe格式耗散过大,不适用于大涡模拟(LES)计算。本研究将Roe格式的耗散构成分解为5个部分,并逐一研究了其耗散特性。通过对各向同性衰减湍流的研究发现,Roe格式的耗散主要来自于基本迎风耗散项以及速度梯度驱动的界面修正压力项,并且这两项中的任何一项的耗散都大于实际所需的值。同时,当基本迎风耗散项乘以系数0.5,其耗散特性非常接近于理想值,也就是说,此时格式耗散可以取代亚格子耗散。这一发现非常有助于改进Roe格式使其适用于LES。     

全速度Roe格式低速性质解析证明

全速度Roe格式是一种新型的可压不可压统一计算格式,这一格式表达了这样一个新观点:有别于预处理方法,可以直接修正标准Roe格式耗散中的非线性特征值,从而使Roe格式耗散性质满足低速流动的要求.为了更好地支持这一新观点,需要有数学上的证明.通过摄动法,本文在理论上证实了这一观点.首先证明了低速Roe格式的性质与连续的方程一致,这一证明较为简单;随后证明了在低马赫数条件下,全速度Roe格式是低速Roe格式的有限放大.从而说明用全速度Roe格式离散的方程的低速性质,也与连续的方程一致.证明过程中,还得到了速度压力失耦现象的解释.     

迎风TVD格式在粘性流计算中的应用研究与改进

首先以高超声速钝楔绕汉热流计算和Ｍ∞＝２．０、激波角θ＝３２．５８°的平板激波附面层干扰分离流动计算,研究了迎风ＴＶＤ格式的粘性特性、发现即使在很小的物面网格下,原有格式计算驻点热流仍较实验和文献结果低,激波附面层干扰的分离区小于实验值,原因主要在于熵修正公式。针对这些不足提出了新的熵修正公式,用改进后的格式重新计算,得到了与实验符合较好的结果。最后用改进的格式对分离流动的壁面温度控制效应进行了研     

完全守恒型差分格式对大型变截面激波管中流场的数值模拟

本文研究了А.А.Самарский提出的拉格朗日坐标下气体力学方程组的完全守恒型差分格式^[2],并给出了一种改进形式。对激波管问题所做的数值计算表明改进的格式具有激波过渡区窄,过跳与低亏小的优点,而且所需的计算时间远低于文[2]中的格式。     

一种改进的HLLEM格式及其激波稳定性分析

使用低耗散激波捕捉格式对高超声速流动问题进行数值模拟时经常会遭受不同形式的激波不稳定性.本文基于二维无黏可压缩Euler方程,对低耗散HLLEM格式进行激波稳定性分析.结果表明:激波面横向通量中切向速度的扰动增长诱发了格式的不稳定性.通过增加耗散来治愈HLLEM格式的激波不稳定性.为了避免引入过多的耗散进而影响剪切层的分辨率,定义激波探测函数和亚声速区探测函数,使得只有在计算激波层亚声速区的横向数值通量时才增加耗散,其余地方的数值通量依然采用低耗散的HLLEM格式来计算.稳定性分析和数值模拟的结果表明,改进的HLLEM格式不仅保留了原格式高分辨率的优点,还大大提高了格式的鲁棒性,在计算强激波问题时能够有效地抑制不稳定现象的发生.     

高分辨率熵相容格式及其在激波流动中的应用

为解决熵守恒格式在激波附近出现数值振荡的问题,本文将熵相容格式与MUSCL格式相结合,提出一种既能适合于激波问题、又不依赖于传统人工黏性经验模型的高分辨率熵相容格式,通过对多个激波问题的数值计算,并对比二阶中心格式、熵守恒格式、熵相容格式和高分辨率熵相容格式的计算结果,发现:熵相容格式具有较好的激波捕捉能力,有效解决了熵守恒格式在激波附近的数值振荡问题;MUSCL重构格式进一步提高了熵相容格式的数值模拟能力,既能精确捕捉激波附近的流动细节,又在光滑区保持二阶精度;在对比的四种格式中,本文提出的高分辨率熵相容格式对激波问题的预测性能最佳。该项工作对发展激波湍流相互作用模型、提高跨/超音速叶轮机械流动预测精度具有理论价值和应用潜力。     

双曲守恒律系统的分段边界层函数方法(PBLM)

本文提出了一个新的高阶Godunov格式。此格式放弃了[9]、[10]中关于参数在格子中满足多项式分布近似及在格子边界上存在间断的假设,直接引入了一个分段边界层型函数分布假设。由于引入的分布函数是单调可微的,因此PBLM格式无需进行如同MUSCL、PPM等格式中的单调性校核。该格式由于不进行单调性修正,在PPM格式中需进行修正而精度降阶的点上仍保持原有精度。对一维激波管的计算表明PBLM格式对激波的展开比PPM格式还要小,计算时间相当。同PPM格式一样,PBLM格式在激波后存在有2%~4%的皮后伪振荡,应加上适当的人工粘性。     

一种基于AUSM思想的通量分裂方法

根据对流迎风分裂(AUSM)思想提出一种通量分裂方法,称为K-CUSP格式.它与传统H-CUSP和E-CUSP格式的最大差异在于总能量的分裂:K-CUSP格式将无粘守恒通量中所有的运动学量分裂到对流项,所有的热力学量分裂到压力项,即总能量被分裂成动能和静焓.对于压力项的数值通量,采用一种新的界面构造方法.数值测试表明:①K-CUSP格式继承了FVS格式的简单性和稳健性.在激波后不易出现压力过冲,在膨胀区域没有振荡,优于AUSM和WPS格式;②K-CUSP格式继承了FDS格式的分辨率.激波间断的分辨率和H-CUSP、E-CUSP格式基本相同,接触间断的分辨率高于FVS格式,低于Roe、AUSM和WPS格式.AUSM和WPS格式在计算运动接触间断时,速度存在很大振荡,而新格式不存在振荡.     

新型上风格式(AUSM+)的性能分析及其应用

研究了新型上风格式AUSM+的分辨率、效率等性能,并用它与Roe、vanLeer上风格式数值模拟了前向台阶激波反射流动,通过对激波、膨胀波、接触间断及其间相互干扰的复杂波系的模拟对比,分析探讨了AUSM+格式的低数值耗散、间断高分辨率等特性。     

一种具有高分辨率特性的人工粘性法

八十年代发展起来的全变差不增格式在激波计算中所显示的卓越特性使其在气体力学问题的求解中得到广泛的应用。但全变差不增格式的一个缺点是计算量较大。本文提出了一种具有高分辨率特性的人工粘性方法,既保持了全变差不增格式的激波分辨率高的优点,又具有人工粘性法计算量较少的优点。     

求解多维欧拉方程的二阶非结构网格混合旋转Riemann求解器

将基于旋转近似Riemann求解器的二阶精度迎风型有限体积方法推广到非结构网格,采用基于网格中心的有限体积法,梯度的计算采用基于节点的方法引入更多的控制体模板,限制器的构造采用与非结构化网格相适应的形式.在求解Riemann问题时,沿具有一定物理意义的两个迎风方向,即控制体界面两侧速度差矢量方向及与之正交的方向.能够完全消除基于Riemann求解器的通量差分裂格式存在的激波不稳定或"红斑"现象.为减小计算量,采用HLL和Roe FDS混合旋转格式.     

二维浅水波方程的数值激波不稳定性

研究二维浅水波方程的数值激波不稳定性问题.线性稳定性分析和数值实验表明,格式的临界稳定性与数值激波的不稳定现象有重要的联系.基于扰动量的增长矩阵分析,本文将高分辨率的数值格式和HLL格式进行特定的加权,设计一类新的混合型数值格式.其中可以调节非线性波速的HLLC与HLL的混合格式,数值试验展示了消除浅水波方程激波不稳定现象的有效性和鲁棒性.     

一种提高极值点处精度的三阶WENO-Z改进格式及应用

高精度、高分辨率激波捕捉格式对含激波流场的数值模拟具有重要意义。为了提高三阶WENO-Z格式在极值点处的计算精度,首先通过理论推导给出三阶WENO格式满足收敛精度的充分条件。采用泰勒级数展开的方式,推导确定所构造格式的参数。通过精度测试证明改进格式在光滑流场区域能收敛到三阶精度。选用Sod激波管、Rayleigh-Taylor不稳定性等经典算例证实了提出的改进格式WENO-NN3相较其他格式(WENO-SJ3、WENO-Z3和WENO-N3)具有精度高、耗散低、对流场结构分辨率高的特性。     

一类新型激波捕捉格式的耗散性与稳定性分析

高超声速流动是高复杂性的可压缩黏性流动, 其中存在激波、剪切层、激波/激波干扰、激波/边界层干扰、旋涡与分离流动等复杂流场结构. 对其进行准确模拟需要使用低耗散、强鲁棒性的激波捕捉方法. 本文基于一类新型的通量项分裂方法, 提出了一种耗散低且鲁棒性好的激波捕捉格式K-CUSP-X. 对该格式的耗散性和激波稳定性进行了详细的理论分析, 得到了格式激波稳定的数值条件. 推论认为, 迎风格式激波稳定的充分条件为速度扰动量具有衰减性, 数值实验验证了该推论. 研究表明, 该格式与Toro提出的通量分裂格式K-CUSP-T相比, 在保证精确捕捉接触间断的同时, 又具有更好的稳定性, 在激波处不会产生“红玉”现象.     

分辨率优化的混合WENO格式

为提高有限差分格式的分辨率,利用傅里叶分析对WENO格式进行色散及耗散优化,并给出优化的线性权重.用优化后的WENO格式与保单调格式（MP）进行加权混合,得到新的加权混合WENO格式（H-WENO）.通过一维激波管问题、Shu-Osher问题及二维双Mach反射问题及R-T不稳定性问题对格式进行数值测试.结果显示,新格式具有强健的激波捕捉能力和对小尺度波结构的高分辨率,与原WENO格式相比改进明显.     

可压缩Kelvin-Helmholtz不稳定性低耗散锐界面方法直接模拟

采用低耗散WENO(weighted essential non-oscillatory)格式及锐界面方法模拟可压缩Kelvin-Helmholtz不稳定性问题.由于物质界面被描述成一种接触间断, 该方法可精确求解切向速度间断.基于优化模板对原始光滑指标进行正规化后, 得到一种低耗散WENO格式.修正后的方法显著降低了普通流动区域的过衰减问题, 保持了良好的激波捕捉性能, 并可获得与混合格式相当的求解精度.不同于以往求解单一流体或易混界面时, 通过初始设定有限宽度的剪切层或快速数值耗散以抑制高波数模态, 该方法允许高波数扰动的发展.计算结果表明, 高波数扰动展现出与以往理想Kelvin-Helmholtz不稳定性问题数值模拟或线化理论结果不同的特征, 但与有限厚度的剪切层结果相符.      

一维非定常流体力学数值模拟

非线性的流体偏微分方程中的激波间断解是物理中很有挑战的问题,其中的Riemann问题可采用解析的方法求出理论解,但采用近似解的方法进行流体动力学数值模拟也可以有效地追踪和捕捉激波.本文以一维激波管为例,对非定常流体基本方程组采用Roe通量差分裂格式,并进行数值模拟.通过与理论解对比,发现其符合度较好.     

求解双曲守恒律方程的高分辨率熵稳定格式

熵稳定格式从物理概念出发,保证总熵关于时间耗散,在计算过程中无需进行熵修正,有效避免如膨胀激波,负压力等非物理现象,显示出独特的优点.通过插入限制器和在单元交界面处进行高阶重构,得到一类高分辨率的熵稳定格式.算例结果表明,格式具有可靠性,高精度和基本无振荡性等特点.     

气动计算中色散可控的迎风紧致格式

文中通过对修正方程色散项的耗散类比方法,指出该项在改善数值解中非物理振荡的重要作用,给出了一类依赖于三个自由参量的色散可控迎风紧致格式。通过这三个参量可控制耗散量的大小,也可控制色散量的大小及方向,并给出了一个具体的色散协调因子。文中给出的格式有着精度高、方法简单、计算量小和有着强的对激波的捕捉能力等优点。对二维激波反射问题进行了数值实验。计算结果非常令人满意。     

间断Galerkin方法求解跨音压气机转子流场

本文采用间断Galerkin方法求解雷诺平均N-S方程和SA湍流模型方程,采用Roe格式计算无黏通量,混合格式求解黏性通量中的梯度。为防止跨音速流场计算中的数值振荡,采用了TVD限制器和正性修正。计算了跨音速转子NASA Rotor37在设计转速下的变工况流场,得到了与实验吻合良好的结果,表明DG方法在叶轮机械内部流动计算中具有广阔的应用前景。