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。     

含泥质夹层油藏蒸汽注采过程的自适应网格算法研究

根据泥质夹层的低渗特性及空间分布，本文提出了一种含泥质夹层油藏网格渗透率的粗化计算方法，并在此基础上，将自适应网格算法应用于含泥质夹层油藏的数值模拟，提升其计算效率．在计算过程中，网格的动态划分仅依据流体物理量的变化，泥质夹层区域不全部采用细网格，仅针对流动锋面处的泥质夹层采用细网格，其余泥质夹层处采用不同程度的粗网格．相较于传统算法，网格数大幅下降．数值算例表明，自适应网格算法的计算结果精度与全精细网格一致，能够准确模拟出泥质夹层对于流体的阻碍作用，同时计算效率得到大幅提升，约为全精细网格算法的3~7 倍．     

网格与高精度差分计算问题

研究NS方程差分求解时来流雷诺数、计算格式精度和计算网格之间的关系．给出了判定空间三个方向上的粘性贡献在给定雷诺数、格式精度和网格下是否能够正确计入的估计方法．指出在NS方程的二阶差分方法的数值模拟中,由于物面法向采用了压缩网格技术,物面附近的网格间距很小,该方向上的粘性贡献可被计入．但是如果流向和周向的网格较粗,相应的差分方程中的粘性贡献可能落入截断误差相同的量级,因此在精度上等于仍是求解略去流向和周向粘性项的薄层近似方程．指出,高阶精度的差分计算格式,可以避免对网格要求苛刻的困难．并进一步讨论了建立高阶精度格式的问题,提出了建立高阶精度格式应该满足的原则：耗散控制原则以及色散控制原则．为了避免激波附近可能出现的微小非物理振荡,建议发展混合高阶精度格式,即在激波区,采用网格自适应的NND格式,在激波以外的区域,采用按上述原则发展的高阶格式．     

网格自适应技术在复杂外形流场模拟中的应用

建立了一套适用于非结构混合网格自适应方法,针对激波和涡的不同特征采用不同加密探测器,各向异性加密棱柱单元并沿物面法向方向剖分所有棱柱层,各向异性剖分四面体单元,并保证四面体与棱柱交界面上网格协调。构造Hermit插值近似投影物面新加网格点和基于Laplacian光滑方法对空间网格进行优化。通过网格自适应加密,使用Roe格式计算高超声速球头绕流的红玉现象得到明显减轻。F16飞机含激波和脱体涡的流场自适应计算表明,网格加密集中在激波面和涡核附近区域,激波和涡计算更准确。     

Level set方法在自适应Cartesian网格上的应用

采用基于自适应Cartesian网格的level set方法对多介质流动问题进行数值模拟。采用基于四叉树的方法来生成自适应Cartesian网格。采用有限体积法求解Euler方程,控制面通量的计算采用HLLC（Hartern, Lax, van Leer, Contact）近似黎曼解方法。level set方程也采用有限体积法求解,采用Lax-Friedchs方法计算通量,通过窄带方法来减少计算量,界面的处理采用ghost fluid方法。Runge-Kutta显式时间推进,时间、空间都是二阶精度。对两种不同比热比介质激波管问题进行数值模拟,其结果和精确解吻合;对空气/氦气泡相互作用等问题进行模拟,取得令人满意的结果。     

柱形和球形壳体内爆界面不稳定性数值分析

为了更好地研究柱形和球形构型下果冻界面不稳定性发展,避免内爆聚心反弹前后直角坐标网格计算导致的误差,提高对流场和界面位置的计算精度,通过应用考虑了MVFT程序的网格适应性,使其能够适用于柱形网格和球形网格下的界面不稳定性数值模拟,特别是能够保证内爆聚心反弹前后流场和界面计算的稳定性。应用改进的计算程序对两种构型下的界面不稳定性进行了数值模拟,并对二者界面演化规律进行了详细讨论和归纳。结果表明:对于内外半径相同的柱形和球形果冻,聚心反弹时前者半径较小,而后者反弹时刻早于前者,其向内聚心和向外运动的速度最大值大于前者,对内部气体的压缩强度强于前者。对于外边界带有正弦扰动情况,除遵循上述规律外,计算还给出了峰谷转换现象。该项研究结果为进一步深入进行复杂构型下界面不稳定性高精度数值模拟研究提供了一种分析工具。     

一类面向高阶精度自适应流动计算的流场插值方法

网格自适应技术和高阶精度数值方法是提升计算流体力学复杂问题适应能力的有效技术途径. 将这两项技术结合需要解决一系列技术难题, 其中之一是高阶精度流场插值. 针对高阶精度自适应流动计算, 提出一类高精度流场插值方法, 实现将前一迭代步网格中流场数值解插值到当前迭代步网格中, 以延续前一迭代步中的计算状态. 为实现流场插值过程中物理量守恒, 该方法先计算新旧网格的重叠区域, 然后将物理量从重叠区域的旧网格中转移到新网格中. 为满足高阶精度要求, 先采用k-exact最小二乘方法对旧网格上的数值解进行重构, 获得描述物理量分布的高阶多项式, 随后采用高阶精度高斯数值积分实现物理量精确地转移到新网格单元上. 最后, 通过一个具有精确解的数值算例和一个高阶精度自适应流动计算算例验证了本文算法的有效性. 第一个算例结果表明当网格规模固定不变时, 插值精度阶数越高, 插值误差越小; 第二个算例显示本文方法可以有效缩短高精度自适应流动计算的迭代收敛时间.      

非结构动网格在多介质流体数值模拟中的应用

采用非结构动网格方法对含多介质的流场进行数值模拟.采用改进的弹簧方法来处理由于边界运动而产生的网格变形.采用基于格心的有限体积方法求解守恒型的ALE(Arbitrary Lagrangiall-Eulerian)方程,控制面通量的计算采用HLLC(Hartem,Lax,van Leer,Contact)方法,采用几何构造的方法使空间达到二阶精度,时间离散采用四阶Runge-Kutta方法.物质界面的处理采用虚拟流体方法.本文对含动边界的激波管、水下爆炸等流场进行数值模拟,取得较好的结果,不同时刻界面的位置和整个扩张过程被准确模拟.     

NND格式在非结构网格中的推广

在张涵信提出的无波动、无自由参数的差分格式（ＮＮＤ格式）的基础上，构造了适用于非结构网格的二阶精度ＮＮＤ有限体积格式，解决了现有非结构网格方法中为抑制激波附近的波动而必须引入含自由参数的人工粘性项的困难，并采用网格自适应技术以提高效率．通过对二维平板激波反射和前台阶在管道内的流动问题的计算，表明本方法可有效地用于Ｅｕｌｅｒ方程的求解．     

界面不稳定性的自适应欧拉数值计算

采用欧拉网格自适应算法数值模拟Richtmyer Meshkov和Rayleigh Taylor不稳定多介质流界面,获得了高精度界面特征。对不同流体引入不同位标函数跟踪界面运动,将位标函数方程与流体动力学方程耦合求解,在笛卡儿坐标系中运用二阶精度有限体积算法,保持流场守恒条件下,通过采用多层网格级对笛卡儿网格嵌套细化,从而实现多介质流体界面的高精度自适应跟踪。给出的方法逻辑简单,可以大大节省CPU时间。     

三维各向异性叉树网格流场自适应算法研究

建立了三维叉树形网格的数据结构,并将结构网格的有限体积法引入到叉树网格中,建立了相应的NS方程求解方法。在此基础上完善了包括各向异性自适应判别、合并/分裂、网格优化等步骤的算法,并提出了对流场结构进行“保护”性加密的优化加密方式。基于自适应叉树网格对高超声速横向喷流流场进行了数值模拟,捕捉到细致的流场结构,并将壁面压力系数计算值与文献试验值比较,得到了很好的模拟效果,具有较高的流场分辨精度。     

二维自适应非结构网格DSMC并行算法研究

研究了二维自适应非结构网格DSMC并行算法实现的过程.首先提出了一类非结构网格自适应策略,有效降低了网格尺度对计算结果的影响,提高了流场的分辨率;然后基于PC-CLUSTER群机并行体系结构与消息传递库MPI并行环境,利用分区并行思想,设计了非结构网格DSMC并行算法,节约了计算时间.利用For-tran90的动态分配内存技术编制了通用计算程序;最后对过渡流域高超声绕流进行了数值模拟,计算结果初步验证了算法的可行性与有效性.     

数值流形单元法数学网格自适应

基于数值流形方法和有限覆盖技术,将有限元法的后验误差估计理论及h型网格自适应技术推广应用到数值流形单元法中,提出了数值流形单元法的后验误差估计方法和数学网格自适应技术,并编制了相应的程序。数值算例表明,经过网格自适应,可以在粗糙的初始网格基础上得到质量比较理想的网格,计算结果可达到用户要求的精度。     

爆轰驱动多介质问题的Lagrange多分区自适应数值模拟研究

凝聚炸药爆轰驱动惰性金属材料形成的多介质流动问题广泛存在于工程应用领域, Lagrange方法由于其物质界面的高保真特性一直在相关问题的数值模拟中发挥着不可替代的作用.加密网格是提高爆轰驱动多介质问题模拟精度的常用途径之一.然而, Lagrange框架下整体密网格计算常会遇到网格畸变、计算效率低等问题.为此,针对爆轰驱动多介质流动问题,提出了一种Lagrange框架下的非结构网格多层自适应方法,在保证所关心区域局部网格分辨率的前提下,大幅缩减了整体计算规模,提升了Lagrange计算的健壮性.设计了非结构网格多层数据结构,提出了多层网格分层存储、有效网格压至一层进行Lagrange计算的AMR策略,同时还发展了自适应接触滑移耦合算法,实现了AMR计算与多分区接触滑移计算的“紧耦合”.相比于已有工作,所提出的AMR方法既保持了非结构网格多层数据结构的灵活性优势,又避免了Lagrange框架下多层网格分别计算带来的层间耦合困难,同时因实现了与接触滑移的自适应耦合,使得它能很好地适应多分区的多介质问题.在一维、二维爆轰算例验证所提出方法正确性的前提下,开展了拐角爆轰、多层炸药隔爆和有限尺寸弯...     

基于Python-Abaqus的自适应网格重划分算法实现及其应用

在有限元分析中,当选取了合适单元类型后,若采用的网格尺寸太大则达不到计算精度要求,尺寸太小则往往需要非常庞大的单元数而导致求解自由度的迅速增长,利用自适应网格可以减轻计算精度与计算量的矛盾。本文采用基于后验误差估计的自适应网格重划算法,并结合Abaqus二次开发,编写了相应的自适应有限元Python脚本,从数值上分析了误差控制标准对计算结果的影响,实现了自适应求解全过程。通过Python脚本应用于几类典型问题的有限元分析,数值验证了基于Abaqus网格重划技术的自适应方法对求解应力集中问题的有效性。Python二次开发自适应计算与模拟,可绕过Abaqus/CAE的图形用户界面(GUI)直接对Abaqus内核进行操作,实现从几何建模、网格剖分到自适应求解的自动化处理,进而可方便多次修改模型和参数,提高建模效率。     

基于非结构网格的TTGC有限元格式的实现及在超声速流动中的应用

基于非结构网格系统,实现了时空三阶精度的TTGC有限元格式,并在三阶TTGC格式上发展了基于人工粘性的激波捕捉技术。在非结构网格下,采用这种方法对若干典型的超声速流动问题(SOD激波管、马赫数为3的前台阶流动以及马赫数为8的高超声速圆柱流动)进行了验证计算。结果表明,TTGC格式分辨率高,在粗糙网格下能够准确的模拟超声速流场中的激波、接触间断等复杂流动现象,并且能有效的控制间断附近的数值色散现象。与传统的有限体积方法相比,本文实现的TTGC有限元格式在模拟超声速流动问题方面具有格式精度高、数值耗散小等优点。     

一种新的准结构网格生成方法

在有限元分析中,高质量的结构网格可以有效地提高有限元分析的精度,但结构网格的几何适应性差,针对复杂边界的二维计算模型,现有的方法很难自动生成高质量的结构网格;而非结构网格几何适应性很好,但存在计算效率低和精度差等问题。提出了一种新的准结构网格生成方法,能够实现复杂区域的网格自动生成并且具有高网格质量。该方法首先对计算区域运用Delaunay三角剖分技术生成粗背景网格;然后利用背景网格,使用优化的Voronoi图生成过渡的蜂巢网格;最后,通过中心圆方法对蜂巢网格单元进行结构网格剖分。分析NACA0012翼型数值模拟结果表明,提出的新准结构网格生成方法能够对边界复杂的模型自动生成高质量的网格,并且通过三种不同拓扑类型网格计算结果相互对比及与实验结果对比,证明准结构网格具有高计算精度。     

基于固定网格和拓扑导数的结构拓扑优化自适应泡泡法

为继承传统拓扑优化泡泡法变量少、精度高等优点,并克服其网格重划频繁、孔洞合并操作繁琐等不足,提出了一种基于固定网格和拓扑导数的自适应泡泡方法.该方法的主要特点是:(1)采用有限胞元固定网格分析方法计算结构力学响应,在优化过程中无需网格更新和重划分,就能保证较高的分析精度;(2)根据拓扑导数信息指导结构区域中孔洞的引入,不仅消除了优化结果对孔洞初始布局的依赖性,还能有效控制设计变量的数量;(3)引入拓扑导数阈值和孔洞影响区域新概念,实现了孔洞引入频次和位置的自适应调节,保证了拓扑优化过程的数值计算稳定性;(4)采用光滑变形隐式曲线描述孔洞边界,不仅设计参数少、变形能力强,而且便于处理孔洞间的融合/分离操作以及与固定网格分析方法的有机结合.理论分析和数值算例表明,改进后的自适应泡泡法能够消除传统泡泡法因采用拉格朗日网格和参数化B样条曲线模型而存在的实施困难,采用很少的设计变量就可获得边界光滑清晰的优化结果.      

基于Youngs界面重构技术的自适应网格细分方法

Euler型多物质流体动力学数值方法中,常采用Youngs界面重构技术处理混合网格。Youngs方法在输运步中需要同时考虑两种物质,程序编写复杂,效率低。本文在Youngs方法的基础上,对混合网格进行多层细分,用细分后的纯物质子网格代替原混合网格。分析了网格细分的具体方案;对细分后子网格,同时考虑往周边八个网格的输运,给出了所有可能分配量的表达式。最后编程实验结果表明,在不增加计算量的基础上,网格细分的方法有效地提高了计算精度。     

积分背景网格对自适应EFG法拓扑优化的影响研究

采用应力能量范数作为误差指标,探讨了EFG法中积分背景网格对计算精度的影响,得到了合理划分背景网格的建议;建立了以节点密度为设计变量、以最小化柔度为优化日标的拓扑优化模型。采用以节点密度值为加点判据的自适应规则加点方案,开展了连续体结构的拓扑优化研究,该加点方案能有效地减少设计变量的个数,探讨了背景网格对拓扑优化结果的影响。算例结果表明,采用合适的背景网格不仅能进一步减少设计变量的个数,而且能够改善拓扑优化结果的光滑性,使计算效率和精度得到提高。