一类高精度TVD差分格式及其应用

构造了一维非线性双曲型守恒律的一个新的高精度、高分辨率的守恒型TvD差分格式。其构造思想是：首先，将计算区间划分为若干个互不相交的小区间，再根据精度要求等分小区间，通过各细小区间上的单元平均状态变量，重构各细小区间交界面上的状态变量，并加以校正；其次，利用近似Riemann解计算细小区间交界面上的数值通量，并结合高阶Runge—Kutta TVD方法进行时间离散，得到了高精度的全离散方法。证明了该格式的TVD特性。该格式适合于使用分量形式计算而无须进行局部特征分解。通过计算几个典型的问题，验证了格式具有高精度、高分辨率且计算简单的优点。     

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。     

对流扩散方程QUICK格式的数值摄动高精度重构格式

利用高智提出的数值摄动算法, 把对流扩散方程的常用QUICK格式(黏性和对流项分别用二阶中心和QUICK格式离散)进行了高精度重构, 包括利用离散单元内所有结点的全域重构和分别利用离散单元内上下游结点的上下游重构, 得到两类新的更高阶精度的数值摄动重构格式, 称为高的QUICK格式(G-QUICK格式). G-QUICK格式与QUICK格式相比简单性相当, 但精度更高; 全域重构G-QUICK格式和QUICK格式均为条件稳定, 上下游重构得到一些绝对稳定的G-QUICK格式. 解析分析和数值算例均证实了G-QUICK格式的优良性能, 上下游重构的G-QUICK格式为在对流扩散方程的QUICK格式中避免使用人工黏性提供了新途径.      

非线性双曲型守恒律的高精度MmB差分格式

构造了一维非线性双曲型守恒律方程的一个高精度、高分辨率的广义G odunov型差分格式。其构造思想是:首先将计算区间划分为若干个互不相交的小区间,再根据精度要求等分小区间,通过各细小区间上的单元平均状态变量,重构各等分小区间交界面上的状态变量,并加以校正;其次,利用近似R iem ann解算子求解细小区间交界面上的数值通量,并结合高阶R unge-K u tta TVD方法进行时间离散,得到了高精度的全离散方法。证明了该格式的Mm B特性。然后,将格式推广到一、二维双曲型守恒方程组情形。最后给出了一、二维Eu ler方程组的几个典型的数值算例,验证了格式的高效性。     

高精度近场动力学方法:一维键型研究

近些年发展起来的近场动力学方法对于模拟复杂的断裂破坏问题具有显著优势.然而,计算精度不高一直是影响该方法进一步发展的瓶颈问题之一.区域积分不精确和键缺失导致的边界效应是降低该方法计算精度的两个主要原因.针对一维键型近场动力学模型,本文通过修正微模量提高区域积分的精度,通过理性构建固定边界和力边界虚拟键改善边界效应,建立...     

基于隐式扩散的直接力格式浸没边界格子Boltzmann方法

采用浸没边界格子Boltzmann (immersed boundary-lattice Boltzmann, IB-LB)模型执行动边界绕流数值模拟时,信息交互界面和边界力计算格式直接影响流动求解器的数值精度和计算效率.基于隐式扩散界面,一种改进的直接力格式IB-LB模型被提出.边界力表达式基于欧拉/拉格朗日变量同一性准则推导,转换矩阵描述的信息交互界面耦合了拉格朗日节点间的非同步运动.采用Richardson迭代数值求解关联边界力与无滑移速度约束的线性方程组,不仅克服了传统速度修正格式中矩阵求逆引起的计算效率问题,而且摆脱了算法稳定性对拉格朗日点分布的依赖.根据解析解已知的Taylor-Green涡流评估本文模型的数值模拟精度,结果表明改进的IB模型能够完整保留背景LB模型的二阶数值精度.静止圆柱和振荡圆柱绕流数值实验结果表明,当前模型在涉及复杂外形和运动界面的流动模拟中能够提供可靠的数值预测,满足力同一性的IB-LB模型能够有效抑制非定常流体力的伪物理震荡.波动翼型绕流模拟验证了当前模型的实用性,可在大变形柔性体流固耦合动力学问题中进一步推广.     

高精度加权紧致非线性格式的研究进展

综述了高精度加权紧致非线性格式WCNS在理论分析以及复杂流动应用方面的研究进展. 首先回顾了国内外高精度格式研究的概况, 然后介绍了WCNS的研究与发展历程. 在对WCNS进行了Fourier分析和渐近稳定性分析后, 给出了WCNS求解多维复杂流动的算例.      

高精度非线性格式WCNS的分析研究与其应用

首先将Fourier方法推广于高维方向研究了五阶精度WCNS的特性,并与其他高阶格式进行比较。分析结果表明WCNS的高精度特性普遍接近甚至好于迎风偏置五阶显式格式EUW-5与Pade′标准格式。然后开展了WCNS的应用研究,采用高效率的WCNS-E-5数值模拟了含强激波的高维复杂流场。算例包括二维高超声速边界层对自由流扰动波的吸收问题以及三维球头绕流问题。计算结果反映出WCNS-E-5对激波等间断的良好捕捉能力,图像清晰光滑,数据准确可靠。     

污染扩散方程高精度紧致格式及其稳定性分析

针对污染扩散方程提出了时间任意阶精度的显式格式,并对该格式的稳定性和精度进行了分析,理论结果表明:一阶精度的计算格式是传统的显格式,其稳定条件为:s≤1/2(s=D.Δt/Δx2,D为扩散系数,Δt为时间步长,Δx为空间步长),随着保留精度阶数的增加,稳定性范围也会随之增大;当保留无穷阶精度时,格式是无条件稳定的。这也就从一个侧面揭示了稳定性与时间精度之间的关系,为高性能数值计算格式的构思提供了可以借鉴的原则。数值算例的结果表明,本文格式具有一定的实用性。     

高精度格式WCNS-E-5的Fourier分析与应用

对高精度加权紧致非线性格式WCNS-E-5进行了理论分析和应用研究。首先采用Fourier方法分析了WCNS-E-5与WCNS-5及其它高阶格式(迎风偏置格式EUW-5与标准格式)的差分误差特性,研究了它们在分辨效率方面的特性和相位误差在多维方向上的各向异性特性。分析结果显示WCNS-E-5与WCNS-5在色散与耗散特性方面优于EUW-5,分辨效率也普遍高于EUW-5和格式,而且它们的相位速度在多维方向上传播所表现的各向异性特性与其它高阶格式一致。WCNS-E-5的高精度特性与WCNS-5的一致,但在计算过程中少了三对角矩阵求解因而它的效率更高,于是采用WCNS-E-5数值模拟了二维/三维复杂流场,算例包括单涡斜向运动、二维Rie-mann问题以及存在分离的大攻角钝锥流动问题。计算结果体现了WCNS-E-5具有很低的数值耗散误差,它对激波、膨胀波和接触面等间断具有很好的捕捉能力,得到的图像清晰光滑,准确再现了真实流动现象。     

粘塑性流体的界面滑移对润滑性能的影响研究

首先指出经典润滑理论中的边界无滑移条件已不再适用于具有极限剪应力的粘塑性流体润滑．而后,通过确定最大剪应力位置和加入剪应力边界条件,建立了界面滑移后的润滑方程．在联立求解不同区域的润滑方程基础上,对界面滑移的开始位置及扩展方式进行了分析．最后,讨论了不同膜厚比下滑移对润滑性能的影响．     

气泡与弹性边界的相互作用研究

从气泡与弹性边界相互作用基本现象入手, 基于势流理论, 建立气泡与弹性边界相互作用的数值模型, 计及浮力与表面张力, 模拟弹性介质附近单个气泡的动态特性, 通过气泡周围压力场的分布来讨论蘑菇状气泡的成因, 数值结果与已有实验结果吻合良好. 讨论两个气泡与弹性边界的相互作用, 并通过与Robinson 和Blake的实验结果对比, 验证数值模型的正确性. 数值模拟发现, 浮力、弹性系数和密度比是影响气泡动态特性的重要特征参数.      

STABILITY AND ACCURACY OF NUMERICAL BOUNDARY CONDITIONS IN AEROELASTIC ANALYSIS

This paper analyses the accuracy and numerical stability of coupling procedures in aeroelastic modelling. A two-dimensional model problem assuming unsteady inviscid flow past an oscillating wall leads to an even simpler one-dimensional model problem. Analysis of different numerical algorithms shows that in general the coupling procedures are numerically stable, but care is required to achieve accuracy when using very few time steps per period of natural oscillation of the structure. The relevance of the analysis to fully three-dimensional applications is discussed. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.     

高频吹气扰动影响近壁区拟序结构统计特性的实验研究

利用恒温热线风速仪测量了零压力梯度平板上施加由合成射流激发的狭缝周期吹气扰动前后不同流向位置湍流边界层的速度信号, 展开高频吹气扰动影响近壁区湍流结构的统计特性研究. 研究结果表明:高频周期吹气扰动在狭缝下游产生明显的减阻效果. 扰动强度在湍流边界层内的发展沿流向呈衰减趋势, 其与湍流结构的相互作用也相应衰减. 然而, 因高频扰动产生运动的展向涡结构与猝发引起的结构变化尺度相当, 直接影响了近壁区拟序结构产生与发展的统计, 从而使得猝发检测方法VITA 表现出与低频或定常吹气减阻机理相异的现象.      

海岸城市上空热力内边界层的基本特征

海岸热力内边界层内大气在热力驱动下产生垂向对流运动,对海岸带的大气运动规律产生深刻的影响.在海岸城市地区,受城市冠层复杂结构的影响,热力内边界层呈现诸多独特的性质.采用大涡模拟的方法,研究了海岸城市热力内边界层内的流动特征.将海岸城市建筑物拟形为一系列有序排列的立方体块,并基于浸入边界方法考虑其对大气流动的影响.和常见的区域尺度数值研究中将城市下垫面假设为均质属性平面的方法相比,模拟结果的精度明显提高,海岸热力内边界层内各种尺度的动力过程也能在一定程度上得以描述.模拟计算了海岸城市热力内边界层、中性海岸城市边界层和开阔的自然海岸热力内边界层共3种情况,对比研究了城市摩阻和海岸热力作用对海岸城市上空大气运动的影响.研究结果表明:在空间上,边界层中各紊流特征量均在街谷尺度呈现出有规律而非均匀分布的特点;在强度上,热力作用与城市构筑物的摩阻作用相互促进,使得紊流强度显著提升并大于两种作用线性叠加的结果.此外,还发现有城市冠层海岸的热力内边界层发展远快于相同热力条件下的自然海岸带,边界层的发展规律也有显著的不同.      

断裂力学问题的杂交边界点方法

提出了一种求解断裂力学的新的边界类型无网格方法-杂交边界点法.以修正变分原理和移动最小二乘近似为基础,同时具有边界元法和无网格法的优良特性,求解时仅仅需要边界上离散点的信息.该文将杂交边界点方法应用到弹性断裂问题中,将移动最小二乘方法中的基函数扩充,能更好的模拟裂纹尖端应力场的奇异性,推导了求解断裂力学的杂交边界点法方程,与传统的元网格方法相比,文中方法具有后处理简单,计算精度高的优点.数值算例表明了该方法的稳定性和有效性.     

高焓湍流边界层壁面摩阻产生机制分析

高超飞行器在中低空以极高马赫数飞行时,飞行器表面会遇到湍流与高温非平衡效应耦合作用的新问题.这种高焓湍流边界层壁面摩阻产生机制是新型高超声速飞行器所关注的基础科学问题,厘清此产生机制可以为减阻方法的设计提供指导,具有重要的工程实用价值.本文选取高超声速飞行时楔形体头部斜激波后的高焓流动状态,开展了考虑高温非平衡效应的湍流边界层直接数值模拟研究,并设置同等边界层参数下的低焓完全气体湍流边界层流动作为对比,采用RD (Renard&Deck)分解技术研究了高焓湍流边界层摩阻的主要产生机制,对摩阻产生的主要贡献项积分函数分布进行了详细分析,研究了高温非平衡效应对摩阻产生的影响规律;采用象限分析技术,研究了摩阻分解湍动能生成项的主导流动事件.计算结果表明,高温非平衡效应会使得壁面摩阻脉动条带的流向和展向尺寸均减小.分子黏性耗散项和湍动能生成项是高焓湍流边界层摩阻生成的主要流动过程.分子黏性耗散项主要作用在近壁区,高焓流动的分布与低焓流动存在差异.象限分析表明,上抛和下扫运动是影响摩阻分解中湍动能生成项的主导事件.     

一种模拟大规模高频声场的双层奇异边界法

大规模高频声场的数值模拟是一项非常有计算挑战性的课题. 为了解决传统边界型离散方法由于全局支撑的满阵限制, 不易应用于大规模高频声场模拟的计算瓶颈, 本文提出了一种用于模拟大规模高频声场的双层奇异边界法. 在该方法中, 通过引入双层结构, 细网格上的全局支撑的满阵被转化为局部支撑的大规模稀疏矩阵, 传统奇异边界法模拟大规模问题时所面临的高计算量以及过度存储需求遂得以解决. 其次, 双层奇异边界法仅通过粗网格评估远场作用, 且独立于特定的插值核函数. 相较于快速多级方法, 该方法具有更强的适应性和灵活性, 且多层结构使该方法具有一定的预调节作用, 非常适合求解具有大规模、高秩、高条件数特点的高频波矩阵. 在其后的散射球模型算例中, 双层奇异边界法配置10万个节点, 成功模拟了无量纲波数高达160的声散射问题. 在对于人头模型的声散射特性分析中, 双层奇异边界法比COMSOL软件计算速度快了约78.13\mathrm{\%}. 当配置8万个节点时, 双层奇异边界法成功模拟了频率高达25 kHz 的工况, 该频率已远远超出了人耳的听力极限.      

VISCOUS FLOWFIELD BASED ON DISCONTINUOUS BOUNDARY ELEMENT METHOD AND VORTEX METHOD

基于非协调边界元方法和涡方法的联合应用, 模拟了二维和三维黏性不可压缩流场. 计算中利用离散涡元对漩涡的产生、凝聚和输送过程进行模拟, 并将整体计算域分解为采用涡泡模拟的内部区域和用涡列模拟的数字边界层区域. 计算域中涡量场的拉伸和对流由Lagrangian涡方法模拟, 用随机走步模拟涡量场的扩散. 内部区域涡元涡量场速度由广义Biot-Savart公式计算, 势流场速度则采用非协调边界元方法计算. 非协调边界元将所有节点均取在光滑边界处, 从而避免了法向速度的不连续现象; 而对于系数矩阵不对称的大型边界元方程组,引入了非常高效的预处理循环型广义极小残余(the generalized minimum residual, GMRES)迭代算法, 使得边界元法的优势得到了充分发挥, 同时, 在内部涡元势流场计算中对近边界点采用了正则化算法, 该算法将奇异积分转化为沿单元围道上一系列线积分, 消除了势流计算中速度及速度梯度的奇异性. 二维、三维流场算例证明了所用方法的正确性, 也验证了该算法可以大幅度提高模拟精度和效率.     

绕壁面小障碍物的湍流边界层研究

采用RNGK－ε模型，对统平板壁面上的条柱、方柱等多种不同形状二维小障碍物的固壁剪切湍流进行数值研究，获得了小障碍物下游回流区及其发展区的时均速度场、回流分离点长度和湍流边界层厚度，计算结果与实验比较吻合良好．结果表明，小障碍物在壁面上的设置，明显地改变了平板壁面边界层的湍流形态和结构．