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.     

高雷诺数下求解NS方程的无网格算法

提出了一种适合高雷诺数NS方程求解的隐式无网格算法。针对高雷诺数粘性流动的特点,在附面层内的粘性影响区域采用法向层次推进布点的方法形成离散点云,在附面层外的计算区域内实行填充式布点的方法形成离散点云。根据附面层内外点云的不同构造特点,推导出运用格林公式和最小二乘曲面拟合方法求取空间导数的统一形式,在此基础上运用AUSM _up格式求得数值通量,并引入BL湍流模型对雷诺平均NS方程的湍流应力项进行封闭。时间推进格式方面,采用了计算效率较高的隐式高斯-赛德尔迭代算法。为了验证本文方法的计算精度和鲁棒性,对NACA0012翼型低速流动、RAE2822翼型跨音速绕流和二维圆柱的分离流动进行了数值模拟。     

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.     

无网格算法在多段翼型流动计算中的应用

研究了一种求解欧拉方程的无网格算法，发展出了一套布点及点云自动生成的方法；在点云离散的基础上，采用最小二乘法求解矛盾方程的方法来求取空间导数，进而获得数值通量；采用四步龙格-库塔方法进行时间推进，并引入当地时间步长和残值光顺等加速收敛措施。通过对NA-CA0012翼型的跨音速流动和多段翼型复杂绕流的数值模拟，验证了上述无网格算法的正确性和实用性。     

附面层修正应用于无网格算法的研究

研究了无网格算法中的附面层修正方法,在一种布置点云方法的基础上,发展一种曲面拟合的重构方式构造流场物理量;找出了无网格算法与网格算法之间的联系,成功将AUSM＋-up格式移植到无网格算法当中,并应用于计算欧拉方程的数值通量;计算中采用了一种改进的隐式时间推进,并引入当地时间步长和残值光顺等加速收敛措施,成功的将附面层修...     

非结构网格质量对梯度重构及无粘流动模拟精度的影响

综合利用理论分析和数值测试手段,研究了非结构格心型有限体积离散中梯度重构算法的计算精度,分别给出了非结构算法中常用的基于Green-Gauss公式(GG方法)和基于Least squares方法(LSQ方法)的梯度重构方法达到至少一阶精度的条件。其中,GG方法在面积分低阶项不能互相抵消的情况下,要求面心插值精度达到至少二阶;而LSQ方法对于任意网格均能实现梯度重构一阶精度。在各向同性网格上的梯度重构精度数值测试验证了数学推导结论;进一步通过制造解方法量化无粘流动数值离散误差,结合网格收敛性测试研究了网格质量(网格点随机扰动、网格弯曲度和网格倾斜度等因素)以及网格类型(三角形和四边形)对无粘流动模拟精度的影响,验证了理论分析结论。     

对流占优问题的无网格自适应布点方案

应用常规数值方法求解对流占优的对流扩散方程时会出现非物理的数值伪振荡现象.因此本文提出了一种基于无网格径向点插值法的自适应布点方案,并成功地解决了对流占优时的数值伪振荡问题.在自适应布点的实施过程中,该方案将无网格方法中的背景积分单元作为自适应控制的梯度计算单元,并将该控制单元场函数梯度的大小作为自适应的梯度控制指标,然后给定相应的梯度控制限,通过控制指标和梯度限的比较来指示高梯度区域进行自适应中心加点和梯度计算单元的分解.数值结果表明:这种基于无网格径向点插值法的自适应布点方案不仅能有效地消除对流占优时的数值伪振荡现象,而且它还具有计算精度高、数值稳定性好、算法实施简单、前后处理方便的优点.     

封面图片说明

正图示为基于无网格方法,采用AUFS格式模拟得到NACA0012翼型在马赫数Ma=0.8,攻角α=1.25°条件下的压力云图.无网格方法是近十几年才受到计算流体力学领域内大量学者关注和研究的数值方法,该方法采用一系列节点离散流场,通过构建点云求解微分形式的控制方程,无需构造网格,因而对复杂外形具有更强的适应性,流场中布点过程亦较为简洁     

基于核重构思想的配点型无网格方法的研究--一维问题

无网格方法按其离散原理可分为Galerkin型、配点型等。其中Galerkin型无网格方法的实施需要背景网格,不属于真正的无网格法;配点型无网格方法的实施不需要背景网格,是真正的无网格法。本文首先介绍了重构核点法的基本原理,然后基于核重构思想,与配点法相结合,以一维问题为例,研究了配点型无网格方法,对该方法构造过程中的近似函数及其导数的计算、修正函数的计算及方法的实现等问题进行了探讨。并结合若干典型算例,检验了其计算精度与收敛姓。     

无网格全局介点法

提出了一种新型无网格法,即无网格全局介点(MGIP)法。该方法采用移动最小二乘核近似来构造形函数,有利于提高数值方法的计算稳定性,而且算法更为简单。该方法需要引入全局介点进行数值离散,基于有限点的广义变分法导出求解系统方程,并采用罚系数法来保证边界条件,数值实现较为简洁。数值算例结果表明:MGIP法的计算耗时不到无网格局部彼得洛夫-伽辽金法的1%,具有较高的计算效率;相比于一般配点法,本文方法的计算稳定性更好,计算精度更高。     

A study of gridless method with dynamic clouds of points for solving unsteady CFD problems in aerodynamics

When solving unsteady computational fluid dynamics problems in aerodynamics with a gridless method, a cloud of points is usually required to be regenerated due to its accommodation to moving boundaries. In order to handle this problem conveniently, a fast dynamic cloud method based on Delaunay graph mapping strategy is proposed in this paper. A dynamic cloud method makes use of algebraic mapping principles and therefore points can be accurately redistributed in the flow field without any iteration. In this way, the structure of the gridless clouds is not necessarily changed so that the clouds regeneration can be avoided successfully. The spatial derivatives of the mathematical modeling of the flow are directly determined by using weighted least‐squares method in each cloud of points, and then numerical fluxes can be obtained. A dual time‐stepping method is further implemented to advance the two‐dimensional Euler equations in arbitrary Lagarangian–Eulerian formulation in time. Finally, unsteady transonic flows over two different oscillating airfoils are simulated with the above method and results obtained are in good agreement with the experimental data. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。

     

AUFS格式在无网格方法中的应用

将计算量小,激波分辨率高的AUFS (artificially upstream flux vector splitting) 格式应用于无网格方法. 所发展算法基于多项式基函数最小二乘无网格方法,采用线性基函数曲面拟合及AUFS 格式计算各离散点的空间导数,应用四阶Runge-Kutta 法进行时间显式推进. 为验证算法健壮性、精度以及计算效率,对Riemann 问题、超音速平面流动,以及不同攻角NACA0012 翼型跨音速流场进行了数值模拟,其结果同采用HLLC (Harten-Lax-van Leer-contact) 格式的无网格方法以及文献报道结果吻合较好,并且计算量较形式简单HLLC 格式减少约15%.     

AUFS 格式在无网格方法中的应用简

将计算量小,激波分辨率高的AUFS (artificially upstream flux vector splitting) 格式应用于无网格方法. 所发展算法基于多项式基函数最小二乘无网格方法,采用线性基函数曲面拟合及AUFS 格式计算各离散点的空间导数,应用四阶Runge-Kutta 法进行时间显式推进. 为验证算法健壮性、精度以及计算效率,对Riemann 问题、超音速平面流动,以及不同攻角NACA0012 翼型跨音速流场进行了数值模拟,其结果同采用HLLC (Harten-Lax-van Leer-contact) 格式的无网格方法以及文献报道结果吻合较好,并且计算量较形式简单HLLC 格式减少约15%.     

A hybrid building‐block and gridless method for compressible flows

A hybrid building‐block Cartesian grid and gridless method is presented to compute unsteady compressible flows for complex geometries. In this method, a Cartesian mesh based on a building‐block grid is used as a baseline mesh to cover the computational domain, while the boundary surfaces are represented using a set of gridless points. This hybrid method combines the efficiency of a Cartesian grid method and the flexibility of a gridless method for the complex geometries. The developed method is used to compute a number of test cases to validate the accuracy and efficiency of the method. The numerical results obtained indicate that the use of this hybrid method leads to a significant improvement in performance over its unstructured grid counterpart for the time‐accurate solution of the compressible Euler equations. An overall speed‐up factor from six to more than one order of magnitude and a saving in storage requirements up to one order of magnitude for all test cases in comparison with the unstructured grid method are demonstrated. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

A multi-entropy-level lattice Boltzmann model for the one-dimensional compressible Euler equations

In this paper, we propose a new lattice Boltzmann model for the one-dimensional compressible Euler equations. The new model is based on a three-entropy-level and three-speed lattice Boltzmann equation by using a method of higher-order moments of the equilibrium distribution functions. In order to obtain the second-order accuracy model, we employ the ghost field distribution functions to remove the non-physical dissipation terms in the Euler equations. We also use the conditions of the higher-order moments of the ghost field equilibrium distribution functions to obtain the equilibrium distribution functions. The numerical examples show that the numerical results can be compared with those classical methods.     

On steady,inviscid shock waves at continuously curved,convex surfaces

An accurate and efficient numerical method for steady, two-dimensional Euler equations is applied to study steady shock waves perpendicular to smooth, convex surfaces. The main subject of study is the flow near both ends of the shock wave: the shock-foot and shock-tip flow. A known analytical model of the inviscid shock-foot flow is critically investigated, analytically and numerically. The results obtained agree with those of the existing analytical model. For the inviscid shock-tip flow, two existing analytical solutions are reviewed. Numerical results are presented which agree with one of these two solutions. Good numerical accuracy is achieved through a monotone, second-order accurate, finite-volume discretization. Good computational efficiency is obtained through iterative defect correction iteration and a multigrid acceleration technique which employs local grid refinement.This work was performed as part of a BRITE/EURAM Area 5 project, under Contract No. AERO-0003/1094.