两种浸入式边界方法的比较

介绍两类不同的浸入式边界方法及其对它的改进. 然后采用均匀矩形交错网格和压力校正投影法,对不可压流场中的二维圆柱绕流进行了数值求解并对比了两类方法的精度.计算分析表明,连续显力法具有构造简单,适用性强的优点. 但离散隐力法在物面边界精度上要优于前者. 改进后,在二阶精度的离散格式下物面边界精度较低的显示力源法的精度有一定提高,同时发现,加密网格以提高数值精度的方法对于连续显力法并不总是有效.而同样格式下,离散隐力法具有更高精度,其中预测-校正离散隐力法可以在此基础上获得更小的计算误差和更快的收敛速度. 数值解与文献已有的数值和实验结果吻合得很好,表明边界算法及其程序是可靠和有效的.      

某商业街区建筑风压及风环境数值模拟

针对上海市某商业街区建立了简化物理模型,采用离散化的数值模拟方法对该街区风场进行三维模拟研究.首先采用CAARC标准模型进行可行性验证,探讨了流体力学数值模拟的适用性和精确度.然后对该街区风场及建筑物的风场进行了数值模拟,分析了由于狭长T字型建筑布局而引起的巷道风效应.最后,讨论了街区群楼间间距及建筑布局等因素的改变对风场和风荷载的影响.研究结果表明,商业街区规划时应避免巷道风效应,并建议将行人高度风环境纳入考虑的范畴.     

一种新的求解对流占优问题的自适应网格细化方法

在均匀网格上求解对流占优问题时,往往会产生数值震荡现象,因此需要局部加密网格来提高解的精度。针对对流占优问题,设计了一种新的自适应网格细化算法。该方法采用流线迎风SUPG(Petrov-Galerkin)格式求解对流占优问题,定义了网格尺寸并通过后验误差估计子修正来指导自适应网格细化,以泡泡型局部网格生成算法BLMG为网格生成器,通过模拟泡泡在区域中的运动得到了高质量的点集。与其他自适应网格细化方法相比,该方法可在同一框架内实现网格的细化和粗化,同时在所有细化层得到了高质量的网格。数值算例结果表明,该方法在求解对流占优问题时具有更高的数值精度和更好的收敛性。     

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采用CFD数值模拟技术,对处于C类地貌风场中由3栋建筑形成的单列 建筑群进行静力风荷载和风场的数值模拟. 数值模拟采用良好适应性的非结构化四面体单元 进行网格划分,侧重模拟分析了各风向角下建筑间距的改变引起面平均风压系数的改变,由 此得到了此类群体建筑表面风压系数干扰因子在各风向角下随建筑间距变化的分布规律和特 征.     

单列建筑群静力干扰效应的数值模拟

采用CFD数值模拟技术,对处于C类地貌风场中由3栋建筑形成的单列建筑群进行静力风荷载和风场的数值模拟.数值模拟采用良好适应性的非结构化四面体单元进行网格划分,侧重模拟分析了各风向角下建筑间距的改变引起面平均风压系数的改变,由此得到了此类群体建筑表面风压系数干扰因子在各风向角下随建筑间距变化的分布规律和特征.     

陡峭山坡风场数值模拟方法研究

地形起伏是造成山地风场复杂多变的主要原因,其风场特性与基于均匀粗糙平面的风场有很大的区别.为准确模拟山坡地形风场,以坡角45°的简化陡峭山坡为研究对象,采用CFD数值模拟方法进行了流场分析,通过与风洞试验和各国规范对比,详细分析了网格分辨率、湍流模型和坡顶局部光滑处理等因素对数值模拟风场精度的影响.结果 表明,采用基本网格尺度布置以及Realizable k-ε湍流模型,在坡顶位置的风压系数值与风洞试验存在一定偏差;在坡顶分离点处采用具有二阶连续性的曲线进行局部光滑,可使得数值模拟所得风速比和风压系数与试验结果更好地吻合,且光滑曲线的过渡段水平距离越短,模拟效果相对越好,坡顶位置的地形加速效应模拟结果与文献试验、中国以及澳大利亚规范具有更好的一致性.     

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。     

多尺度嵌入式离散裂缝模型模拟方法

天然裂缝性油藏和人工压裂油藏内裂缝形态多样,分布复杂,传统的离散裂缝模型将裂缝作为基岩网格的边界,采用非结构化网格进行网格划分,其划分过程复杂,计算量大。嵌入式离散裂缝模型划分网格时不需要考虑油藏内的裂缝形态,只需对基岩系统进行简单的网格剖分,可以大大降低网格划分的复杂度,从而提高计算效率。然而,在油藏级别的数值模拟和人工压裂裂缝下的产能分析中,仍然存在计算量巨大、模拟时间过长的问题。本文提出嵌入式离散裂缝模型的多尺度数值计算格式,使用多尺度模拟有限差分法研究嵌入式离散裂缝模型渗流问题。通过在粗网格上求解局部流动问题计算多尺度基函数,多尺度基函数可以捕捉裂缝与基岩间的相互关系,反映单元内的非均质性,因此该方法既有传统尺度升级法的计算效率,又可以保证计算精度,数值结果表明这是一种有效的裂缝性油藏数值模拟方法。     

基于赫林格?赖斯纳变分原理的一致高效无网格本质边界条件施加方法

无网格法具有高阶连续光滑的形函数, 在结构分析中呈现出显著的精度优势. 但无网格形函数在节点处一般没有插值性, 导致伽辽金无网格法难以直接施加本质边界条件. 采用变分一致尼兹法施加边界条件的数值解具有良好的收敛性和稳定性, 因而得到了非常广泛的应用, 然而该方法仍然需要引入人工参数来保证算法的稳定性. 本文以赫林格?赖斯纳变分原理为基础, 建立了一种变分一致的本质边界条件施加方法. 该方法采用混合离散近似赫林格?赖斯纳变分原理弱形式中的位移和应力, 其中位移采用传统无网格形函数进行离散, 而应力则在背景积分单元中近似为相应阶次的多项式. 此时的无网格离散方程可视为一种新型的尼兹法施加本质边界条件, 其中修正变分项采用再生光滑梯度和无网格形函数进行混合离散, 稳定项则内嵌于赫林格?赖斯纳变分原理弱形式中, 无需额外增加稳定项, 消除了对人工参数的依赖性. 该方法无需计算复杂耗时的形函数导数, 并满足积分约束条件, 保证了数值求解的精度. 数值结果表明, 所提方法能够保证伽辽金无网格法的计算精度最优误差收敛率, 与传统的尼兹法相比明显提高了计算效率.      

多尺度嵌入式离散裂缝模型模拟方法

天然裂缝性油藏和人工压裂油藏内裂缝形态多样,分布复杂,传统的离散裂缝模型将裂缝作为基岩网格的边界,采用非结构化网格进行网格划分,其划分过程复杂,计算量大。嵌入式离散裂缝模型划分网格时不需要考虑油藏内的裂缝形态,只需对基岩系统进行简单的网格剖分,可以大大降低网格划分的复杂度,从而提高计算效率。然而,在油藏级别的数值模拟和人工压裂裂缝下的产能分析中,仍然存在计算量巨大、模拟时间过长的问题。本文提出嵌入式离散裂缝模型的多尺度数值计算格式,使用多尺度模拟有限差分法研究嵌入式离散裂缝模型渗流问题。通过在粗网格上求解局部流动问题计算多尺度基函数,多尺度基函数可以捕捉裂缝与基岩间的相互关系,反映单元内的非均质性,因此该方法既有传统尺度升级法的计算效率,又可以保证计算精度,数值结果表明这是一种有效的裂缝性油藏数值模拟方法。     

加筋路径驱动的板壳自适应等几何屈曲分析

加筋薄壁结构常被用于航空航天结构的轻量化设计.随着结构尺寸和几何特征的增加,需要更加精细的网格来满足分析精度的要求.传统的等几何方法采用NURBS张量积形式的拓扑结构,使得在分析过程中难以实现局部细化,而全局细化则会增加不必要的自由度.为了提升加筋板壳结构的数值分析精度和效率,提出一种基于RPHT (rational polynomial splines over hierarchical T-meshes)样条的加筋板壳自适应等几何屈曲分析方法.样条网格可以沿着加筋路径进行自适应的局部细化,有效提升低自由度下加筋板壳结构等几何屈曲分析的精度.首先,蒙皮和筋条分别采用RPHT样条曲面和NURBS样条曲线进行建模,几何建模与数值仿真采用统一的几何语言,实现建模与分析的一体化.其次,采用几何投影算法和样条插值算法实现筋条与蒙皮之间的高效高精度强耦合,并建立基于加筋路径驱动自适应网格细化方法.最后,曲线加筋板和网格加筋壳两个算例验证本方法的高效性和鲁棒性,通过与基于NURBS的等几何分析进行对比,本方法能够明显降低分析模型的总自由度.     

A local adaptive grid procedure for incompressible flows with multigridding and equidistribution concepts

An adaptive grid solution procedure is developed for incompressible flow problems in which grid refinement based on an equidistribution law is performed in high-error-estimate regions that are flagged from a preliminary coarse grid solution. Solutions on the locally refined and equidistributed meshes are obtained using boundary conditions interpolated from the preliminary coarse grid solution, and solutions on both the refined and coarse grid regions are successively improved using a multigrid approach. For this purpose, suitable correction terms for the coarse grid equations are derived for all variables in the flagged regions. This procedure with Local Adaptation, Multigridding and Equidistribution (LAME) concepts is applied to various flow problems to demonstrate the accuracy improvements obtained using this method.     

基于精细积分技术的非线性动力学方程的同伦摄动法

将精细积分技术（PIM）和同伦摄动方法（HPM）相结合,给出了一种求解非线性动力学方程的新的渐近数值方法。采用精细积分法求解非线性问题时,需要将非线性项对时间参数按Taylor级数展开,在展开项少时,计算精度对时间步长敏感;随着展开项的增加,计算格式会变得越来越复杂。采用同伦摄动法,则具有相对筒单的计算格式,但计算精度较差,应用范围也限于低维非线性微分方程。将这两种方法相结合得到的新的渐近数值方法则同时具备了两者的优点,既使同伦摄动方法的应用范围推广到高维非线性动力学方程的求解,又使精细积分方法在求解非线性问题时具有较简单的计算格式。数值算例表明,该方法具有较高的数值精度和计算效率。     

Performance study of the multiwavelet discontinuous Galerkin approach for solving the Green-Naghdi equations

This paper presents a multiresolution discontinuous Galerkin (DG) scheme for the adaptive solution of Boussinesq-type equations. The model combines multiwavelet (MW)–based grid adaptation with a DG solver based on the system of fully nonlinear and weakly dispersive Green-Naghdi (GN) equations. The key feature of the adaptation procedure is to conduct a multiresolution analysis using MWs on a hierarchy of nested grids to improve the efficiency of the reference DG scheme on a uniform grid by computing on a locally refined adapted grid. This way, the local resolution level will be determined by manipulating MW coefficients controlled by a single user-defined threshold value. The proposed adaptive multiwavelet DG solver for GN equations is assessed using several benchmark problems related to wave propagation and transformation in nearshore areas. The numerical results demonstrate that the proposed scheme retains the accuracy of the reference scheme, while significantly reducing the computational cost.     

An adaptive cut‐cell method for environmental fluid mechanics

In this work we present a numerical method for solving the incompressible Navier–Stokes equations in an environmental fluid mechanics context. The method is designed for the study of environmental flows that are multiscale, incompressible, variable‐density, and within arbitrarily complex and possibly anisotropic domains. The method is new because in this context we couple the embedded‐boundary (or cut‐cell) method for complex geometry with block‐structured adaptive mesh refinement (AMR) while maintaining conservation and second‐order accuracy. The accurate simulation of variable‐density fluids necessitates special care in formulating projection methods. This variable‐density formulation is well known for incompressible flows in unit‐aspect ratio domains, without AMR, and without complex geometry, but here we carefully present a new method that addresses the intersection of these issues. The methodology is based on a second‐order‐accurate projection method with high‐order‐accurate Godunov finite‐differencing, including slope limiting and a stable differencing of the nonlinear convection terms. The finite‐volume AMR discretizations are based on two‐way flux matching at refinement boundaries to obtain a conservative method that is second‐order accurate in solution error. The control volumes are formed by the intersection of the irregular embedded boundary with Cartesian grid cells. Unlike typical discretization methods, these control volumes naturally fit within parallelizable, disjoint‐block data structures, and permit dynamic AMR coarsening and refinement as the simulation progresses. We present two‐ and three‐dimensional numerical examples to illustrate the accuracy of the method. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

A model study for the steady state error of numerical approximations of inviscid flow equations on Cartesian grid

The widely used locally adaptive Cartesian grid methods involve a series of abruptly refined interfaces. In this paper we consider the influence of the refined interfaces on the steady state errors for second‐order three‐point difference approximations of flow equations. Since the various characteristic components of the Euler equations should behave similarly on such grids with regard to refinement‐induced errors, it is sufficient enough to conduct the analysis on a scalar model problem. The error we consider is a global error, different to local truncation error, and reflects the interaction between multiple interfaces. The steady state error will be compared to the errors on smooth refinement grids and on uniform grids. The conclusion seems to support the numerical findings of Yamaleev and Carpenter (J. Comput. Phys. 2002; 181: 280–316) that refinement does not necessarily reduce the numerical error. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

Effect of vertical grid variability on a free surface flow model

A previously developed numerical model that solves the incompressible, non‐hydrostatic, Navier–Stokes equations for free surface flow is analysed on a non‐uniform vertical grid. The equations are vertically transformed to the σ‐coordinate system and solved in a fractional step manner in which the pressure is computed implicitly by correcting the hydrostatic flow field to be divergence free. Numerical consistency, accuracy and efficiency are assessed with analytical methods and numerical experiments for a varying vertical grid discretization. Specific discretizations are proposed that attain greater accuracy and minimize computational effort when compared to a uniform vertical discretization. Published in 2007 by John Wiley & Sons, Ltd.     

基于XFEM与自适应网格的非均质材料裂纹扩展模拟

针对含有间断的非均匀材料的断裂问题,本文将虚节点多边形单元的形函数引入到扩展有限元（XFEM）中,提出了一种基于四叉树结构的动态网格细化方法,该方法可对间断面附近单元实现可调控的多层级细化,特别是对于裂纹扩展问题,可实现裂尖附近单元的动态网格细化与粗化。基于以上网格细化方法,本文提出了针对非均匀材质裂纹扩展问题的计算方法VP-XFEM。为验证算法的准确性与计算效率,针对含有孔洞及材料界面的断裂问题,本文给出了相应的算例。结果显示,与传统的一致性网格的XFEM相比,VP-XFEM能够明显改善计算精度与计算效率。     

基于适合分析T样条的高阶数值流形方法

数值流形方法是一种非常灵活的数值计算方法,连续体的有限单元方法和块体系统的非连续变形分析方法只是这一数值方法的特例.数值流形方法中高阶位移函数的构造可通过提高权函数的阶次来实现,这种方法往往需要沿单元边界配置适当的边内节点,这些结点的出现增加了前处理的复杂性,特别是对于大型复杂的空间问题.另一方面,在数值流形方法中可通过缩小单元尺寸(h加密)来提高求解精度.当模拟裂纹扩展时,这种细化策略可用来克服裂纹尖端的奇异性.一个传统的解决方案是细化整个网格,但这会导致计算效率的显著降低.将适合分析的T样条(analysis-suitable T-spline,AST)引入数值流形方法中来建立高阶数值流形方法的分析格式,有效的避免了该问题的出现.AST样条基函数具有线性无关,单位分解,局部加密等许多重要性质,使得其非常适合用于工程设计及分析.在引入AST样条后,可通过改变数学覆盖的构造形式建立不同阶次的数值流形方法分析格式;AST样条自身的局部加密性质也使得数值流形方法中的数学网格局部加密更容易实现.算例结果表明:随着AST样条基函数阶次的提高,数值流形方法的计算结果有了明显的改善;基于AST样条基函数的数值流形方法在保持计算精度的前提下降低了自由度的数量.