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。     

多介质流的高分辨率Euler方法

在多介质流动问题中,不同介质有不同的状态方程。这使通量成为间断函数,从而没有通量的Jacobi矩阵。而用Euler坐标系描述的方程组的很多高分辨率格式都要用到Jacobi矩阵及其特征值和特征向量,即要求通量连续可微。因此必须重新处理整个守恒律方程组。对于γ气体问题将γ看作一个新未知量并增加一个守恒方程,从而使整个方程组的通量成为光滑函数,为高分辨率格式的构造铺平了道路。由于真实流动只遵守三个守恒律,多加的一个守恒律虽然对偏微分方程组没有影响,但对差分方程数值解有影响。这一点在数值实验中已有表现。提出了一个方案将这一影响尽量消除。所用格式可完全照搬单介质流动的任何现有格式。对一维多介质流动Euler方程组的激波管问题的数值实验表明这样处理所构造的格式具有同单介质流动问题同样的效果。     

双曲型守恒律的一种高精度TVD差分格式

构造了一维双曲型守恒律方程的一个高精度高分辨率的守恒型TVD差分格式.其主要思想是:首先将计算区域划分为互不重叠的小单元,且每个小单元再根据希望的精度阶数分为细小单元;其次,根据流动方向将通量分裂为正、负通量,并通过小单元上的高阶插值逼近得到了细小单元边界上的正、负数值通量,为避免由高阶插值产生的数值振荡,进一步根据流向对其进行TVD校正;再利用高阶Runge KuttaTVD离散方法对时间进行离散,得到了高阶全离散方法.进一步推广到一维方程组情形.最后对一维欧拉方程组计算了几个算例.     

双曲守恒律的Taylor-Galerkin有限元方法

利用双曲守恒律的Hamilton-Jacobi方程形式,应用Taylor公式与Galerkin有限元给出了求解双曲守恒律的计算方法。采用TVD差分格式的构造思想,对数值通量作修正,在等距网格情形下有限元方法得到的计算格式满足TVD性质,并给出了数值例子。     

基于移动网格的熵稳定格式

提出一种基于移动网格的熵稳定格式求解双曲型守恒律方程.该方法利用等分布原理得到新的网格分布,基于守恒型插值公式计算新的网格上的物理量,使用熵稳定数值通量和三阶强稳定Runge-Kutta时间推进方法得到下一时刻的数值解.数值算例表明该格式不仅能有效提高解在间断处的分辨率,而且能消除可能产生的伪振荡.     

不规则对接网格的分区求解计算

采用一种保持通量守恒的不规则对接网格分区求解中交界面耦合条件的计算方法, 结合有限体积法求解了Euler 方程, 无粘通量取用Van Leer 分裂格式, 构造了一种限制器以实现格式的二阶精度和TVD 性质, 并给出数值算例。     

带副翼的翼身组合体绕流的Euler和N-S方程解

将对接分区网格与分区求解算法结合,有效地求解了带副翼偏转的翼身组合体绕流的N S方程.数值方法中选用VanLeer分裂格式离散无粘通量项,采用中心差分格式来离散粘性通量项.分区交界面采用了一种满足通量守恒的内边界耦合条件.数值算例表明该方法是求解带操纵面偏转的翼身组合体绕流的有效方法.     

求解双曲守恒律方程的高分辨率熵相容格式

为提高熵相容格式的精度,利用限制器机制构造高分辨率格式,将构造的通量限制器插入熵相容格式,得到一类高分辨率熵相容格式.构造Euler方程高分辨率熵相容格式时,对熵相容格式中的几个参数做简单调整,提高了接触间断处的分辨率.将所得格式的数值结果与熵相容格式的数值结果比较表明,构造的高分辨率熵相容格式具有稳健和基本无振荡等特性.     

用NND格式模拟Kelvin-Helmholtz不稳定性

使用局部Steger-Warming通量分裂方法,利用NND有限差分格式求解守恒型流体力学方程组,实现对Kelvin-Helmholtz不稳定性的数值模拟.数值模拟给出的线性增长率与线性稳定性分析给出的结果相符合,得到锐利的界面变形图像.     

针对二维双曲守恒律方程求解方法的研究

对双曲守恒律方程进行数值求解是计算流体力学的重要研究内容。本文从物理概念出发,通过对计算流体力学和双曲守恒律方程研究现状及发展趋势进行引入,详细介绍了满足熵稳定条件的二维双曲守恒律方程的熵守恒、熵稳定、熵相容、高分辨率熵稳定格式,可将其格式应用于具体算例的数值求解中。     

三点强紧致加权高分辨率高阶格式及其应用

本文分别给出了采用有限体积计算时采用高阶格式遇到的网格单元体界面上三阶、四阶与五阶格式精度下的数值通量表达式,并且给出了确定权函数过程中所遇到的光滑因子表达式．文中首先对模型方程进行了格式分辨率方面的检验,然后将格式用于某涡轮级的实际流场计算．数值结果表明:所给出的高分辨率、高阶格式具有较高的激波分辨率并且具有较高的数值精度,在计算流场时,它可以用较少网格点去取代普通低阶精度格式下所采用的较密网格．     

基于WENO重构的熵稳定格式求解浅水方程

针对浅水方程,提出一种数值求解格式:空间方向采用满足熵稳定条件的数值通量,并在单元交界面处进行高阶WENO重构,时间上的推进采用强稳定的Runge-Kutta方法.模拟一维和二维经典问题,结果表明,该格式具有分辨率高、基本无振荡性等特点.     

三维高超声速无粘定常绕流的数值模拟

本文采用一种简单有效的通量分裂结合一种二阶TVD格式的数值通量的方法,提出一种隐式的迎风有限体积格式,并利用这种格式,从气体动力学非定常Euler方程组出发,数值模拟了三维不对称物体的高超声速无粘定常绕流。数值结果表明此格式具有分辨率较高和收敛速度较快的优点。     

基于气动声学问题的高阶非线性紧致格式

文章基于线性中心紧致差分格式, 通过非线性加权插值的方法来求解网格中心处的函数值.这类格式保持了原有中心紧致差分格式的高阶精度和低耗散特性, 同时其分辨率也非常高, 由于其非线性插值的机制, 使得这类格式能够捕捉强激波, 所以这类新的高阶非线性紧致格式是一种较好的模拟湍流和气动声学等多尺度问题的方法.      

非结构网格下非定常流场双时间步长的加权ENO-强紧致杂交高分辨率格式

针对三维非定常、可压缩流场的Navier-Stokes方程组,本文提出一种新的双时间步长高精度快速迭代格式。该格式在时间上具有二阶精度,在空间离散上不低于三阶。在对流项与粘性项的处理上,本格式分别采用了加权ENO-强紧致格式与紧致四阶精度格式的思想。几个典型算例的实践表明:计算结果与相关实验数据比较吻合,初步表明了该算法可以在非结构网格下具有高效率与高分辨率的特征。     

求解双曲型守恒律方程的高精度迎风紧致群速度控制法

从迎风紧致逼进[1]出发,提出求解流体力学双曲型守恒律的一种高精度的数值方法,同时采用群速度控制方法捕捉激波。该方法在光滑区具有三阶精度。     

Osher Flux with Entropy Fix for Two-Dimensional Euler Equations

We compare in this paper the properties of Osher flux with O-variant and P-variant (Osher-O flux and Osher-P flux) in finite volume methods for the two-dimensional Euler equations and propose an entropy fix technique to improve their robustness. We consider both first-order and second-order reconstructions. For inviscid hypersonic flow past a circular cylinder, we observe different problems for different schemes: a first-order Osher-O scheme on quadrangular grids yields a carbuncle shock, while a first-order Osher-P scheme results in a dislocation shock for high Mach number cases. In addition, a second-order Osher scheme can also yield a carbuncle shock or be unstable. To improve the robustness of these schemes we propose an entropy fix technique, and then present numerical results to show the effectiveness of the proposed method. In addition, the influence of grid aspects ratio, relative shock position to the grid and Mach number on shock stability are tested. Viscous heating problem and double Mach reflection problem are simulated to test the influence of the entropy fix on contact resolution and boundary layer resolution.     

A high order kinetic flux-vector splitting method for the reduced five-equation model of compressible two-fluid flows

We present a high order kinetic flux-vector splitting (KFVS) scheme for the numerical solution of a conservative interface-capturing five-equation model of compressible two-fluid flows. This model was initially introduced by Wackers and Koren (2004) [21]. The flow equations are the bulk equations, combined with mass and energy equations for one of the two fluids. The latter equation contains a source term in order to account for the energy exchange. We numerically investigate both one- and two-dimensional flow models. The proposed numerical scheme is based on the direct splitting of macroscopic flux functions of the system of equations. In two space dimensions the scheme is derived in a usual dimensionally split manner. The second order accuracy of the scheme is achieved by using MUSCL-type initial reconstruction and Runge–Kutta time stepping method. For validation, the results of our scheme are compared with those from the high resolution central scheme of Nessyahu and Tadmor [14]. The accuracy, efficiency and simplicity of the KFVS scheme demonstrate its potential for modeling two-phase flows.     

Conservative form of interpolated differential operator scheme for compressible and incompressible fluid dynamics

The proposed scheme, which is a conservative form of the interpolated differential operator scheme (IDO-CF), can provide high accurate solutions for both compressible and incompressible fluid equations. Spatial discretizations with fourth-order accuracy are derived from interpolation functions locally constructed by both cell-integrated values and point values. These values are coupled and time-integrated by solving fluid equations in the flux forms for the cell-integrated values and in the derivative forms for the point values. The IDO-CF scheme exactly conserves mass, momentum, and energy, retaining the high resolution more than the non-conservative form of the IDO scheme. A direct numerical simulation of turbulence is carried out with comparable accuracy to that of spectral methods. Benchmark tests of Riemann problems and lid-driven cavity flows show that the IDO-CF scheme is immensely promising in compressible and incompressible fluid dynamics studies.     

Basic function method A new numerical method on unstructured grids

A new numerical method-basic function method is proposed. This method can directly discrete differential operators on unstructured grids. By using the expansion of basic function to approach the exact function, the central and upwind schemes of derivative are constructed. By using the polynomial as basic function, applying the technique of flux splitting method and the combination of central and upwind schemes, the non-physical fluctuation near the shock wave is suppressed. The first-order basic function scheme of polynomial type for solving inviscid compressible flow numerically is constructed in this paper. Several numerical results of many typical examples for one-, two- and three-dimensional inviscid compressible steady flow illustrate that it is a new scheme with high accuracy and high resolution for shock wave. Especially, combining with the adaptive remeshing technique, the satisfactory results can be obtained by these schemes.