Mie-Grneisen状态方程可压缩多流体流动的PPM方法

采用流体体积分数的混合型多流体数值模型，将piecewise parabolic method (PPM)方法应用于可压缩多流体流动的数值模拟，拓展了以前提出的模型和数值方法，使它能够处理一般的Mie-Grneisen状态方程。采用双波近似和两层迭代算法求解一般状态方程的Riemann问题；并根据多流体接触界面无振荡原则设计高精度计算格式，对典型的纯界面平移问题可以从理论上证明本算法在接触间断附近压力和速度没有振荡，而且数值模拟结果表明界面数值耗散也被控制在2~3个网格之内。模拟了多种复杂的可压缩多流体流动，算例结果表明本文方法可以有效地处理接触间断、激波等物理问题，且具有耗散小精度高的特点。     

基于混合型WENO格式数值模拟四类Riemann问题

本文基于三阶WENO格式和三阶WENO-Z格式,利用有限体积法研究了同一格式在不同方向使用不同的求解器,以及在不同方向采用相同精度的不同格式数值模拟4类Riemann问题,分析各向异性对数值计算结果的影响．数值结果表明,无论是使用不同的格式,还是使用不同的求解器进行数值模拟,都会导致数值结果不同程度地失去图像对称性．     

高精度PPM格式在湍流燃烧中的应用

利用处理三维可压缩粘性流体流动问题中的沉浸边界法,并结合基于PPM方法的高精度TVD格式,对三维方形管道中部的圆柱火焰绕流及惰性气体绕流问题进行了数值模拟。计算湍流时采用大涡模拟(LES),化学反应速率采用EBU漩涡破碎模型。通过计算结果与实验结果的比较,发现高精度PPM格式能精确模拟两类圆柱绕流问题。计算中还发现,火焰圆柱绕流算例中,在火焰翻越圆柱前,由于燃烧的膨胀作用,使得火焰正面前的未燃气体流动并形成惰性气体绕流,这与无燃烧时的惰性气体绕流类似。但当火焰翻越圆柱过程中及完全翻越圆柱后,两种算例绕流流场出现明显变化。     

高阶多维半离散中心迎风格式及其应用

提出了求解多维对流-扩散方程的四阶半离散中心迎风格式。该格式以中心加权基本无振荡(CWENO)重构为基础,同时考虑到在Riemann扇内波传播的局部速度,从而更加准确地估计出了局部Riemann扇的宽度,最终既回避了网格的交错,又降低了格式的数值粘性,建立了介于迎风格式和中心格式之间的半离散中心迎风格式。本文还将该四阶半离散中心迎风格式与涡度-流函数方法相结合,有效地求解了二维不可压Euler方程组和Navier-Stokes方程组。     

二维双曲型守恒律的一种五阶松弛格式

松弛格式是Jin和Xin提出的无振荡有限差分方法,其主要思想是将守恒律转化为松弛方程组进行求解.本文用逐维五阶WENO重构和显隐式Runge-Kutta方法对松弛方程组的空间和时间进行离散,得到了一种求解二维双曲型守恒律五阶松弛格式.所得格式保持了松弛格式简单的优点,不用求解Riemann问题和计算通量函数的雅可比矩阵.通过二维Burgers方程和二维浅水方程的数值算例验证了格式的有效性.     

求解双曲型守恒律的半离散三阶中心迎风格式

给出了求解一维双曲型守恒律的一种半离散三阶中心迎风格式,并利用逐维进行计算的方法将格式推广到二维守恒律。构造格式时利用了波传播的单侧局部速度,三阶重构方法的引入保证了格式的精度。时间方向的离散采用三阶TVD Runge—Kutta方法。本文格式保持了中心差分格式简单的优点,即不需用Riemann解算器,避免了进行特征分解过程。用该格式对一维和二维守恒律进行了大量的数值试验,结果表明本文格式是高精度、高分辨率的。     

气体动理学格式研究进展

介绍了近年来气体动理学格式(gas-kinetic scheme, GKS, 亦简称BGK 格式) 的主要研究进展, 重点是高阶精度动理学格式及适合从连续流到稀薄流全流域的统一动理学格式. 通过对速度分布函数的高阶展开和对初值的高阶重构, 构造了时间和空间均为三阶精度的气体动理学格式. 研究表明, 相比于传统的基于Riemann 解的高阶格式, 新格式不仅考虑了网格单元界面上物理量的高阶重构, 而且在初始场的演化阶段耦合了流体的对流和黏性扩散, 也能够保证解的高阶精度. 该研究为高精度计算流体力学(computatial uiddymamics, CFD) 格式的建立提供了一条新的途径. 通过分子离散速度空间直接求解Boltzmann 模型方程,在每个时间步长内将宏观量的更新和微观气体分布函数的更新紧密地耦合在一起, 建立了适合任意Knudsen(kn) 数的统一格式, 相比于已有的直接离散格式具有更高的求解效率. 最后, 本文还讨论了合理的物理模型对数值方法的重要性. 气体动理学方法的良好性能来自于Boltzmann 模型方程对计算网格单元界面上初始间断的时间演化的准确描述. 气体自由运动与碰撞过程的耦合是十分必要的. 通过分析数值激波层内的耗散机制,我们认识到采用Euler 方程的精确Riemann 解作为现代可压缩CFD 方法的基础具有根本的缺陷, 高马赫数下的激波失稳现象不可避免. 气体动理学格式为构造数值激波结构提供了一个重要的可供参考的物理机制.      

可压缩多介质粘性流体的数值计算

将考虑热传导和粘性情况下的Navier Stokes方程描述的物理过程分解成3个子过程进行数值计算,即把整个流量计算分解成无粘性流量、粘性流量和热流量3部分,采用多介质流体高精度parabolic piecewise method（PPM）方法、二阶空间中心差方法和两步Rung-Kutta时间推进方法相结合进行数值计算。给出了激波管中Riemann问题和二维、三维Richtmyer-Meshkov界面不稳定性的Navier Stokes方程和Euler方程对比计算结果,显示了粘性对界面不稳定性的影响。     

群速度控制格式及二维Riemann解

强激波和强接触间断的数值模拟一直是计算流体力学里一个富有挑战性的课题,它们是很多实际流动的基础。三阶迎风紧致格式是一种具有较高分辨率的高精度方法,但是在计算激波时仍有数值振荡产生。本文根据数值解的群速度特性,在三阶迎风紧致格式的基础上提出了一种群速度控制格式,使得能够正确模拟含有强激波和强接触间断的复杂流动。在此基础上构造了求解包含大压力比和密度比的二维界面问题的数值方法。计算结果表明,方法对激波和接触间断的分辨效果是令人满意的。     

MFCAV近似Riemann解在新型拉氏方法中的应用

Maire等提出了一种新型的有限体积中心型拉氏方法, 该方法大大地改善了一直困扰着一般中心型拉氏方法的虚假网格变形. 然而在计算数值流和移动网格时,该方法只应用了数值黏性较大的弱波近似(weak wave approximatedmethod, WWAM) Riemann解, 而且方法的设计表明其他类型的近似Riemann解不能简单直接地应用上去. 将体平均多流管(multifluid channel on averaged volume, MFCAV)近似Riemann解视为对WWAM的修正,成功将其应用于新型方法中, 数值实验表明应用了MFCAV 的新方法是有效的. 研究为将其他更为有效的近似Riemann解应用于该新型方法中开辟了一条道路.      

时刻追踪多介质界面运动的动网格方法

在对可压缩多介质流动的数值模拟中,定义介质界面为一种内部边界,由网格的边组成,界面边两侧对应两种不同介质中的网格。通过求解Riemann问题追踪介质界面上网格节点的运动,同时采用局部重构的动网格技术处理介质界面的大变形问题,并将介质界面定义为网格变形边界,以防止该边界上网格体积为负。运用HLLC格式求解ALE方程组得到整个多介质流场的数值解。最后从几个多介质流模型的计算结果可以看出,本文的动网格方法是可行的,而且可以时刻追踪介质界面的运动状态。     

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。     

一维泥石流的静动力阻力特征研究及数值模拟

泥石流是山区多发的一种地质灾害,它的发生和发展威胁着人们的生命和财产安全,影响着人们的正常生活,因而需要加强对其发生和发展过程的研究。结合泥石流的动力模型方程采用数值模拟方法再现泥石流发生和发展的过程,是研究和预测模拟泥石流灾害的有效手段。目前的动力模型方程大多只关注动力过程,却忽视了静动力过程的统一,这将导致在一些情况下产生错误的结果。本文研究了一维泥石流的静动力阻力特征,通过修正泥石流动力学方程的阻力项,得到了具有静动力统一特征的模型方程。并以Roe格式的近似Riemann解为基础,采用MUSCL线性重构方法建立了具有较高精度和分辨率的有限体积数值求解。具体算例的数值验证表明,方程阻力项的修正是合理的,所建立的数值求解也是稳定和有效的。     

球坐标系下多介质混合物模型的数值模拟

利用多介质混合模型在求解球坐标系下的Riemann问题时,需要考虑界面处压力平衡性弱、奇点处理、状态方程复杂等多个难点。本文将原始基于体积分数的Mie-Grüneisen多介质混合模型扩展到球坐标系下,并对多个细节进行了修正和改进,包括:在界面处对热力学参数进行修正、采用质量分数导出新输送方程、利用质量分数加权计算偏导数、采用相邻网格点的物理量定义奇点等。经过改进后的计算模型,可以得到无振荡的数值解,而且可以准确捕捉到冲击波和界面的位置。另外,使用改进后的质量分数模型比原始的体积分数模型得到的计算结果更准确。     

一类三维时空二阶精度高分辨率MmB差分格式

直接把Nessyahu和Tadmor^[1,2]的思想推广到三维非线性双曲型守恒律情形，以交错形式Lax—Friedrichs格式为基本模块，使用二阶分片线性逼近代替一阶分片常数逼近，减少了Lax—Friedrichs格式的过多数值粘性，通过对混合导数离散形式的适当处理，构造了一类不须解Riemann问题、具有时空二阶精度高分辨率的MmB差分格式。这些差分格式很容易推广到向量系统中去。最后，一些数值模拟计算结果也证明了这些差分格式的有效性。     

数值耗散对压气机流动分离涡模拟的影响研究

分离涡模拟DES是压气机流动模拟中常用的高保真湍流模式。为了使DES准确解析湍流,数值耗散必须限制在合理范围内。然而,当前的压气机流动DES类研究工作中仍然普遍采用高耗散的迎风格式。本文首先基于DES类方法计算的各向同性衰减湍流结果,定量比较了多种不同数值格式的耗散,证实了高耗散迎风格式严重低估中高波数湍流能量。高阶重构格式可以一定程度上改善该问题,但能量耗散仍然过高。本文在高阶重构的基础上,进一步引入自适应耗散函数修改Riemann求解器,构造了自适应耗散格式。该格式在全波数范围都能准确地预测湍流能谱。将该格式配合DES类方法模拟跨声速离心压气机流动,其预测的压比相比于三阶迎风格式,更加接近实验结果。此外,自适应耗散格式显著提高了中小尺度流动结构的分辨率。分析表明,在使用DES类方法模拟压气机流动时,有必要采用数值耗散较低的离散格式,以准确预测压气机总体性能和流动结构。本文构造的自适应耗散格式是一种良好选择。     

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.     

空气自由场中强爆炸冲击波传播二维数值模拟

编写了适用于模拟具有高密度比、高压力比的强激波问题的二维柱对称多介质流体计算程序。利用有限体积方法求解流体的Euler方程组,采用level set方法捕捉爆炸产物与空气的运动界面,并通过求解物质界面两侧Riemann问题的精确解来计算爆炸产物与空气之间的数值通量。研制了三角形网格自适应技术来实现网格的自动加密和粗化,在保证捕捉激波峰值的前提下有效地提高了计算效率。利用计算程序对1 kt TNT当量的空气自由场强爆炸问题进行数值模拟,计算得到的峰值超压、冲击波到达时间等物理参数与点爆炸理论结果基本一致。

     

改进特征线法在水下爆炸正反演问题中的应用

介绍了改进特征线法及其在水下爆炸正反演问题中的应用。将改进特征线法用于TNT炸药球水下爆炸的模拟,并与实验数据和AUTODYN程序的结果比较,结果表明,改进特征线法求解水下爆炸问题具有较好的准确性,且能够捕捉到流场中弱冲击的传播。而后应用改进的特征线法将正问题中的冲击波参数作为初值条件,利用逆序差分格式,对水气界面做反演求解;将反演的水气界面与正问题中的界面作比较,结果显示两者在近场吻合良好。     

一维溃坝洪水波的高精度数值模拟

将ENO(Essentially Non-Oscillatory)格式和Runge-Kutta时间离散的思想应用于一维Saint-Venant方程组的求解,数值模拟溃坝洪水,得出了水位和流速的沿程分布。经与理论解比较可见,数值解在间断波附近没有出现数值振荡,水位和流速大小均符合较好,表明ENO格式是一类新的高精度无振荡差分格式,采用ENO格式所建立的高分辨率模型能够很好地模拟溃坝波的演进过程。