面向复杂几何模型的并行四面体网格生成方法

面向大规模工程计算等数值模拟领域,提出了一种支持复杂几何模型的大规模四面体网格并行生成方法。该方法以复杂几何模型作为输入,首先采用串行网格生成方法生成初始四面体网格,然后通过两级区域分解方法将初始网格分解为多个子网格并分配到相应的进程中,进程间并行地提取出子网格的表面网格,并基于几何模型对面网格进行贴体加密,最后对加密后的面网格采用Delaunay方法重新生成四面体网格,该方法可以更好地适应高性能计算机体系结构,较好地克服了并行方法中并行性能和网格质量不能兼顾的问题。对三峡大坝模型进行测试和验证,证明该方法具有良好的并行效率和可扩展性,可以在数万处理器核上并行生成数十亿高质量四面体网格。     

一种Cartesian气动网格的自适应划分算法

提出了针对空间Cartesian结构化网格的自适应划分算法,以满足飞机总体设计过程中进行多学科设计优化时根据方案变化生成CFD计算网格的需要,使气动特性能够得以自动化分析,并且保证优化迭代过程的顺利进行.分析了Cartesian网格划分过程中的两个关键问题,并给出了解决方法.在此基础之上,从理论上推导了能够自动适应飞机布局形式以及几何尺寸任意变化的Cartesian网格生成算法和实际划分步骤,并给出了其中部分主要的计算公式,同时论述了自适应划分过程中的若干重要问题.阐述了自适应划分所需的飞机及其部件特征尺寸的获取途径.最后展示了几个由自适应划分算法生成的Cartesian网格实例以说明其实际应用.     

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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.     

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。     

大尺度网格下DSMC仿真碰撞概率的修正方法

从DSMC碰撞概率的实现途径出发,通过引入最小二乘法及亚松弛的思想给出一种大尺度网格下分子仿真碰撞概率的修正方法,将该方法应用于非结构四面体网格下的DSMC模拟中,计算分析了文献中钝锥模型的绕流结果,数值结果初步验证了本文方法的合理性和有效性。     

非结构混合网格高超声速绕流与磁场干扰数值模拟

对均匀磁场干扰下的二维钝头体无粘高超声速流场进行了基于非结构混合网格的数值模拟.受磁流体力学方程组高度非线性的影响及考虑到数值模拟格式的精度,目前在此类流场的数值模拟中大多使用结构网格及有限差分方法,因而在三维复杂外形及复杂流场方面的研究受到限制.本文主要探索使用非结构网格(含混合网格)技术时的数值模拟方法.控制方程为耦合了Maxwell方程及无粘流体力学方程的磁流体力学方程组,数值离散格式采用Jameson有限体积格心格式,5步Runge-Kutta显式时间推进.计算模型为二维钝头体,初始磁场均匀分布.对不同磁感应强度影响下的高超声速流场进行了数值模拟,并与有限的资料进行了对比,得到了较符合的结果.     

脆性材料破坏模拟的网格生成算法

脆性材料的破坏过程具有随机性,当前的网格生成算法没有充分考虑脆性材料破坏时裂纹扩展和碎块生成的随机性。在Persson网格生成算法与Delaunay随机网格剖分理论基础上,提出了一种可根据模拟需要动态控制网格品质的网格生成算法。通过对随机分布点的Delauna三角化,生成初始网格,然后将网格体系比拟为桁架结构,网格节点即为桁架节点。桁架节点在虚拟力作用下可动态调整位置,并最终达到整个体系受力平衡。对Persson 算法中的尺寸分布函数和收敛条件进行了修正,从而提高了收敛速度,并适用于任意形状对象的网格剖分。 基于VC++平台开发了算法程序。通过实例对算法进行了验证,表明算法能够满足脆性材料破碎模拟的需要。     

喷水推进器推力的CFD计算方法研究

简要介绍获取喷水推进器推力的理论、试验及数值计算(CFD)方法,重点研究采用动量流量法和壁面积分法计算喷水推进器推力的CFD方法。采用多块网格技术,用六面体结构化网格和四面体非结构化网格相结合的混合网格离散计算区域,采用稳态多参考系方法求解RANS方程,对喷水推进器进水流道、叶轮、导叶体和喷口所组成的整个流场进行数值计算。计算中采用了k-ε湍流模型和标准壁面函数,对用动量流量法计算推力方法中所需的假想流管分界面和进口面的求取做了分析,将两种方法计算的推力与厂商提供的推力特性曲线进行了对比。结果表明,采用CFD计算和分析方法来研究喷水推进系统推力性能是可行、可信的。     

基于重叠网格与结构网格的圆柱绕流数值模拟

为研究重叠网格与结构网格在圆柱绕流数值模拟中的区别,以二维圆柱为例,利用有限元分析软件ANSYS 19.2中的DM与Mesh建立模型并划分重叠网格,利用ANSYS 19.2中的ICEM建立模型并划分结构网格。采用FLUENT 19.2中laminar模型模拟分析系统中的平均升力系数、平均阻力系数、斯特劳哈尔数St等流体动力特性。通过改变流体流速得到两种不同网格下各6组雷诺数Re,这6组雷诺数在60~160之间。结果表明:结构网格与重叠网格的St都随着Re的增加而增加,但相同雷诺数下重叠网格对应的St数值更大,St的增长速度更快;重叠网格与结构网格的平均升力系数与平均阻力系数随着Re的增加趋于稳定的速度都加快,但结构网格的平均升力系数与平均阻力系数趋于稳定的速度更快,且两种网格的平均升力系数与平均阻力系数趋于稳定速度的差距逐渐缩小,当Re=160时,两种网格的平均升力系数与平均阻力系数趋于稳定的速度几乎相同;当雷诺数在60~160之间时,采用重叠网格计算出来的斯特劳哈尔数比结构网格更加接近理论值;从升力功率谱密度分布曲线中可以看出,随着雷诺数的增加,两种网格下的频率逐渐变大,并且相同雷诺数下重叠网格的频率比结构网格大。     

非结构混合网格在气动热标模模拟中的应用

非结构混合网格消除了结构网格节点的结构性限制,可以较好地处理边界,同时兼顾了粘性边界层模拟的需求,具有灵活性大、对复杂外形适应能力强和生成耗时短等优点,在飞行器气动特性模拟中得到广泛应用.本文针对非结构混合网格的特点,把前期针对非结构混合网格气动力高精度模拟发展改进的梯度计算方法和Roe格式熵修正方法推广应用到气动热流的数值模拟.以典型钝锥标模外形的高超声速绕流为研究对象,开展了不同网格形式和第一层网格不同间距的影响研究.结果 表明,热流计算时,头部物面网格最好采用四边形或四边形交叉剖分得到的三角形网格,物面法向的网格雷诺数取20左右,为热流计算时非结构混合网格的生成提供了指导,同时验证了计算方法的有效性和可靠性.     

CFD多块网格生成新进展

网格生成是计算流体力学的重要组成部分,多块网格在CFD实践中获得了广泛的应用．结合对网格生成技术规范和网格生成系统的讨论,综述了多块网格近年来的新进展,重点评述了网格拓扑和网格拼接技术（包括所谓的连续拼接、非结构拼接和广义拼接）,完整飞机外形多块网格生成策略,自动分块技术以及相应的块合井技术,CAD和CFD之间的数据交换技术和基于NURBS的曲面网格生成技术,网格质量分析和控制技术,若干网格生成新方法,以及多块网格在航空气动力数值模拟中的应用．      

Numerical diffusion for flow‐aligned unstructured grids with application to estuarine modeling

The benefits of unstructured grids in hydrodynamic models are well understood but in many cases lead to greater numerical diffusion compared with methods available on structured grids. The flexible nature of unstructured grids, however, allows for the orientation of the grid to align locally with the dominant flow direction and thus decrease numerical diffusion. We investigate the relationship between grid alignment and diffusive errors in the context of scalar transport in a triangular, unstructured, 3‐D hydrodynamic code. Analytical results are presented for the 2‐D anisotropic numerical diffusion tensor and verified against idealized simulations. Results from two physically realistic estuarine simulations, differing only in grid alignment, show significant changes in gradients of salinity. Changes in scalar gradients are reflective of reduced numerical diffusion interacting with the complex 3‐D structure of the transporting flow. We also describe a method for utilizing flow fields from an unaligned grid to generate a flow‐aligned grid with minimal supervision. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于非结构/混合网格的高阶精度格式研究进展

尽管以二阶精度格式为基础的计算流体力学(CFD) 方法和软件已经在航空航天飞行器设计中发挥了重要的作用, 但是由于二阶精度格式的耗散和色散较大, 对于湍流、分离等多尺度流动现象的模拟, 现有成熟的CFD 软件仍难以给出满意的结果, 为此CFD 工作者发展了众多的高阶精度计算格式. 如果以适应的计算网格来分类, 一般可以分为基于结构网格的有限差分格式、基于非结构/混合网格的有限体积法和有限元方法,以及各种类型的混合方法. 由于非结构/混合网格具有良好的几何适应性, 基于非结构/混合网格的高阶精度格式近年来备受关注. 本文综述了近年来基于非结构/混合网格的高阶精度格式研究进展, 重点介绍了空间离散方法, 主要包括k-Exact 和ENO/WENO 等有限体积方法, 间断伽辽金(DG) 有限元方法, 有限谱体积(SV) 和有限谱差分(SD) 方法, 以及近来发展的各种DG/FV 混合算法和将各种方法统一在一个框架内的CPR (correctionprocedure via reconstruction) 方法等. 随后简要介绍了高阶精度格式应用于复杂外形流动数值模拟的一些需要关注的问题, 包括曲边界的处理方法、间断侦测和限制器、各种加速收敛技术等. 在综述过程中, 介绍了各种方法的优势与不足, 其间介绍了作者发展的基于"静动态混合重构" 的DG/FV 混合算法. 最后展望了基于非结构/混合网格的高阶精度格式的未来发展趋势及应用前景.     

一种分子运动和碰撞双重网格DSMC方法研究

基于非结构网格与直角网格相结合的策略,提出一种分子运动和碰撞双重网格DSMC实现方法。通过分子的位置坐标信息,实现运动网格与碰撞网格信息交互,从而结合非结构网格的贴体性和直角网格易于控制子网格数量的优点,同时提出并实现了基于MCS自适应的动态子网格技术以有效限制分子平均碰撞距离,提高了DSMC方法的通用性和计算精度。通过对超声速圆柱绕流和扩张管道的数值模拟,验证该方法的有效性和高精度性。数值结果表明,本文提出的基于分子运动和碰撞双重网格的DSMC方法提高了流场的分辨率,且通过基于MCS自适应的动态子网格技术,有效地降低了流场的平均碰撞距离,提高了碰撞质量和计算精度。     

Developing implicit pressure‐weighted upwinding scheme to calculate steady and unsteady flows on unstructured grids

The finite‐volume methods normally utilize either simple or complicated mathematical expressions to interpolate the fluxes at the cell faces of their unstructured volumes. Alternatively, we benefit from the advantages of both finite‐volume and finite‐element methods and estimate the advection terms on the cell faces using an inclusive pressure‐weighted upwinding scheme extended on unstructured grids. The present pressure‐based method treats the steady and unsteady flows on a collocated grid arrangement. However, to avoid a non‐physical spurious pressure field pattern, two mass flux per volume expressions are derived at the cell interfaces. The dual advantages of using an unstructured‐based discretization and a pressure‐weighted upwinding scheme result in obtaining high accurate solutions with noticeable progress in the performance of the primitive method extended on the structured grids. The accuracy and performance of the extended formulations are demonstrated by solving different standard and benchmark problems. The results show that there are excellent agreements with both benchmark and analytical solutions as well as experimental data. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

动网格生成技术及非定常计算方法进展综述

对应用于飞行器非定常运动的数值计算方法(包括动态网格技术和相应的数值离散格式)进行了综述.根据网格拓扑结构的不同,重点论述了基于结构网格的非定常计算方法和基于非结构/混合网格的非定常计算方法,比较了各种方法的优缺点.在基于结构网格的非定常计算方法中,重点介绍了刚性运动网格技术、超限插值动态网格技术、重叠动网格技术、滑移动网格技术等动态结构网格生成方法,同时介绍了惯性系和非惯性系下的控制方程,讨论了非定常时间离散方法、动网格计算的几何守恒律等问题.在基于非结构/混合网格的非定常计算方法中,重点介绍了重叠非结构动网格技术、重构非结构动网格技术、变形非结构动网格技术以及变形/重构耦合动态混合网格技术等方法,以及相应的计算格式,包括非定常时间离散、几何守恒律计算方法、可压缩和不可压缩非定常流动的计算方法、各种加速收敛技术等.在介绍国内外进展的同时,介绍了作者在动态混合网格生成技术和相应的非定常方法方面的研究与应用工作.     

A simple strategy for constructing bounded convection schemes for unstructured grids

Due to the great geometrical flexibility, popularity for unstructured grid methods in fluid dynamics has been increasing in recent years. In parallel with this interest there is a need for bounded second or higher order convection schemes which can be implemented easily in the unstructured setting. In the present work a simple strategy for achieving convective boundedness in the context of a vertex‐centered unstructured finite volume algorithm is demonstrated. Testing is carried out on an inviscid oblique step problem using both structured and unstructured grid arrangements. Further testing for numerical diffusion is done using a distorted grid in a two dimensional channel. The proposed scheme is straightforward to implement and is found to perform well for the cases considered. The overall algorithm converges well and the limiter appears to introduce little extra numerical diffusion beyond that inherently present in the base scheme. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

多维迎风方法在非结构/混合网格热流计算中的应用研究

非结构/混合网格具有极强的几何灵活性,在复杂外形飞行器的气动力特性数值模拟中已得到广泛应用,但目前还难以准确地预测气动热环境。本文从非结构/混合网格热流计算的三个需求出发,选取了多维迎风方法,并与其他方法进行了对比研究。以二维圆柱高超声速绕流这一Benchmark典型问题为例,对比研究了多维迎风方法和几种广泛使用的无粘通量格式(Roe格式、Van Leer格式和AUSMDV格式)对混合网格热流计算精度的影响。结果表明,多维迎风方法在热流计算精度、鲁棒性以及收敛性方面表现良好。最后,将多维迎风方法应用于常规混合网格上的圆柱和钝双锥绕流问题,均得到了较好的热流计算结果,为非结构/混合网格热流计算在复杂高超飞行器中的应用奠定了基础。