双开口压力谐振管的数值计算

本文研究两端开口的压力谐振管的数值计算方法。文中采用格杜诺夫差分格式,对文献[1]中的喷射边界条件作了改进,提出了双开口边界条件的处理方法。计算结果与实验基本一致。计算方法可用于多种形式的准周期性一维非定常流动,如双开口热分离器变压管的设计和特性分析。     

Time discretization methods in the computation of unsteady flow

对于不同非定常流动问题, 采用合适的时间离散方法,可有效提高数值精度和计算效率. 本文在总结传统时间离散方法的基础上,对近些年发展的非线性频域法、谐波平衡法、经典时间谱方法、时间谱元法、时间有限差分法等进行了系统地总结.根据离散形式的不同,将上述方法分为时域推进法、频域谐波法、时域配点法和混合方法4大类.首先简要介绍了各类方法的数学思想以及研究进展,并重点比较了(准)周期性非定常流动计算中各方法的精度、效率以及适用范围.然后, 对各种时间离散格式的特点进行总结,并就不同的非定常流动问题如何选择合适的时间离散方法给予了建议.最后, 对这些新型时间离散格式在工程中的应用进行了简要介绍,并对其发展方向进行展望.     

非定常流动模拟的时间离散方法

对于不同非定常流动问题,采用合适的时间离散方法,可有效提高数值精度和计算效率.本文在总结传统时间离散方法的基础上,对近些年发展的非线性频域法、谐波平衡法、经典时间谱方法、时间谱元法、时间有限差分法等进行了系统地总结.根据离散形式的不同,将上述方法分为时域推进法、频域谐波法、时域配点法和混合方法 4大类.首先简要介绍了各类方法的数学思想以及研究进展,并重点比较了(准)周期性非定常流动计算中各方法的精度、效率以及适用范围.然后,对各种时间离散格式的特点进行总结,并就不同的非定常流动问题如何选择合适的时间离散方法给予了建议.最后,对这些新型时间离散格式在工程中的应用进行了简要介绍,并对其发展方向进行展望.     

非定常流动模拟的时间离散方法

对于不同非定常流动问题, 采用合适的时间离散方法,可有效提高数值精度和计算效率. 本文在总结传统时间离散方法的基础上,对近些年发展的非线性频域法、谐波平衡法、经典时间谱方法、时间谱元法、时间有限差分法等进行了系统地总结.根据离散形式的不同,将上述方法分为时域推进法、频域谐波法、时域配点法和混合方法4大类.首先简要介绍了各类方法的数学思想以及研究进展,并重点比较了(准)周期性非定常流动计算中各方法的精度、效率以及适用范围.然后, 对各种时间离散格式的特点进行总结,并就不同的非定常流动问题如何选择合适的时间离散方法给予了建议.最后, 对这些新型时间离散格式在工程中的应用进行了简要介绍,并对其发展方向进行展望.      

非均匀矩形网格的局部网格细化LBM算法研究

传统的格子玻尔兹曼方法 (LBM),特别是基于均匀正方形网格的经典单松弛计算模型(SLBM),其算法鲁棒性和数值稳定性较差,限制了LBM的发展和应用.而网格细化策略可以有效缓解这一窘境,但是传统LBM中网格细化必然会导致计算效率骤降,计算设备要求攀高.为了解决这一问题,文章基于非均匀矩形网格结构,结合插值LBM算法的思路,在保证物面处和流动变化剧烈区域的局部网格细化以及计算精度的前提下,提出了25点拉格朗日插值LBM算法.以经典顶盖驱动方腔内流为算例,开展了包括不同网格分辨率和插值格式的对比分析研究.验证算例既包括了定常流动的数值模拟,也涉及了非定常周期性流动的求解.计算结果表明,相较于其他插值格式,拉格朗日插值格式表现优异;文章局部网格细化工作可以确保物面处及流动变化剧烈区域流动细节的捕捉;数值模拟算法可以为数值仿真提供可信的计算结果;同时大幅降低了总网格数量.因此很大程度上提升了计算效率;数值模拟方法鲁棒性较好,适用于包括定常和非定常流动的数值模拟.     

格子Boltzmann方法模拟多孔介质惯性流的边界条件改进

格子Boltzmann方法可以有效地模拟水动力学问题,边界处理方法的选择对于可靠的模拟计算至关重要.本文基于多松弛时间格子Boltzmann模型开展了不同边界条件下,周期对称性结构和不规则结构中流体流动模拟,阐述了不同边界条件的精度和适用范围. 此外,引入一种混合式边界处理方法来模拟多孔介质惯性流, 结果表明:对于周期性对称结构流动模拟,体力格式边界条件和压力边界处理方法是等效的,两者都能精确地捕捉流体流动特点; 而对于非周期性不规则结构,两种边界处理方法并不等价,体力格式边界条件只适用于周期性结构;由于广义化周期性边界条件忽略了垂直主流方向上流体与固体格点的碰撞作用,同样不适合处理不规则模型;体力-压力混合式边界格式能够用来模拟周期性或非周期性结构流体流动,在模拟多孔介质流体惯性流时,比压力边界条件有更大的应用优势,可以获得更大的雷诺数且能保证计算的准确性.      

格子Boltzmann方法模拟多孔介质惯性流的边界条件改进

格子Boltzmann方法可以有效地模拟水动力学问题,边界处理方法的选择对于可靠的模拟计算至关重要.本文基于多松弛时间格子Boltzmann模型开展了不同边界条件下,周期对称性结构和不规则结构中流体流动模拟,阐述了不同边界条件的精度和适用范围.此外,引入一种混合式边界处理方法来模拟多孔介质惯性流,结果表明:对于周期性对称结构流动模拟,体力格式边界条件和压力边界处理方法是等效的,两者都能精确地捕捉流体流动特点;而对于非周期性不规则结构,两种边界处理方法并不等价,体力格式边界条件只适用于周期性结构;由于广义化周期性边界条件忽略了垂直主流方向上流体与固体格点的碰撞作用,同样不适合处理不规则模型;体力–压力混合式边界格式能够用来模拟周期性或非周期性结构流体流动,在模拟多孔介质流体惯性流时,比压力边界条件有更大的应用优势,可以获得更大的雷诺数且能保证计算的准确性.     

基于非结构/混合网格模拟黏性流的高阶精度DDG/FV混合方法

间断Galerkin有限元方法(discontinuous Galerkin method, DGM) 因具有计算精度高、模板紧致、易于并行等优点, 近年来已成为非结构/混合网格上广泛研究的高阶精度数值方法. 但其计算量和内存需求量巨大, 特别是对于网格规模达到百万甚至数千万的大型三维实际复杂外形问题, 其计算量和存储量对计算资源的消耗是难以承受的. 基于“混合重构”的DG/FV 格式可以有效降低DGM 的计算量和存储量. 本文将DDG 黏性项离散方法推广应用于DG/FV 混合算法, 得到新的DDG/FV混合格式, 以进一步提高DG/FV混合算法对于黏性流动模拟的计算效率. 通过Couette流动、层流平板边界层、定常圆柱绕流, 非定常圆柱绕流和NACA0012 翼型绕流等二维黏性流算例, 优化了DDG 通量公式中的参数选择, 验证了DDG/FV 混合格式对定常和非定常黏性流模拟的精度和计算效率, 并与广泛使用的BR2-DG 格式的计算结果和效率进行对比研究. 一系列数值实验结果表明, 本文构造的DDG/FV混合格式在二维非结构/混合网格的Navier-Stokes 方程求解中, 在达到相同的数值精度阶的前提下, 相比BR2-DG格式, 对于隐式时间离散的定常问题计算效率提高了2 倍以上, 对于显式时间离散的非定常问题计算效率提高1.6 倍, 并且在一些算例中, 混合格式具有更优良的计算稳定性. DDG/FV 混合格式提升了计算效率和稳定性, 具有良好的应用前景.      

基于非结构/混合网格模拟黏性流的高阶精度DDG/FV混合方法

间断Galerkin有限元方法 (discontinuous Galerkin method, DGM)因具有计算精度高、模板紧致、易于并行等优点,近年来已成为非结构/混合网格上广泛研究的高阶精度数值方法.但其计算量和内存需求量巨大,特别是对于网格规模达到百万甚至数千万的大型三维实际复杂外形问题,其计算量和存储量对计算资源的消耗是难以承受的.基于"混合重构"的DG/FV格式可以有效降低DGM的计算量和存储量.本文将DDG黏性项离散方法推广应用于DG/FV混合算法,得到新的DDG/FV混合格式,以进一步提高DG/FV混合算法对于黏性流动模拟的计算效率.通过Couette流动、层流平板边界层、定常圆柱绕流,非定常圆柱绕流和NACA0012翼型绕流等二维黏性流算例,优化了DDG通量公式中的参数选择,验证了DDG/FV混合格式对定常和非定常黏性流模拟的精度和计算效率,并与广泛使用的BR2-DG格式的计算结果和效率进行对比研究.一系列数值实验结果表明,本文构造的DDG/FV混合格式在二维非结构/混合网格的Navier-Stokes方程求解中,在达到相同的数值精度阶的前提下,相比BR2-DG格式,对于隐式时间离散的定常问题计算效率提高了2倍以上,对于显式时间离散的非定常问题计算效率提高1.6倍,并且在一些算例中,混合格式具有更优良的计算稳定性.DDG/FV混合格式提升了计算效率和稳定性,具有良好的应用前景.     

数值研究激波与旋涡的相互作用

从非定常形式的Euler方程出发,数值模拟了运动激波与旋涡相互作用的非定常流动过程。为保证激波具有较高的分辨率,采用对称型TVD格式进行了数值计算。结果表明。这样可以有效地模拟流场中一些复杂的流动现象,如激波变形、激波分叉和三波点的形成,以及旋涡结构的变化过程等,并与已有的实验流动显示相符良好。同时,也是对TVD格式求解这类问题的一次初步尝试。     

一维Burgers方程的各种差分格式研究

本文对Burgers方程,一维流体力学动量方程的模型方程,进行了数值实验研究。本文以两类精确解(一类表示定常拟的“激波”解,一类表示非定常的粘性耗散解)为基准。在给定的完全精确的边界条件下,专门探讨各种常用和重要差分格式的优劣。(包括精度、稳定性、计算时间等)。 本文共采用了八种格式(包括Cheng—Allen、修正Cheng格式、MacCormack、分裂格式等)对两类初、边值问题进行了计算和比较。主要的结果是: ①对非定常的粘性耗散问题,采用隐式分裂格式在精度和稳定性方面是各类格式中最好的。 ②对于具有拟“激波”样的定常问题,Cheng的修正格式2具有振幅很小、振动衰减很快的优点,它是各种格式中最佳的。 ③对Mac Cormack格式31,它可以用来算定常和非定常问题,但稳定性很差,要得到好的精度对Re数范围有一定的限制。 ④对于计算含有“激波”的流动,看来差分格式的守恒性是很重要的。 ⑤对像Burgers方程那样的非线性方程,看来Von Neumann的线化稳定性分析仍然是适用的。     

高温激波管化学非平衡流动数值模拟研究

为了预测氢氧定容燃烧驱动的高温激波管性能,需要准确分析激波管非定常化学非平衡流动过程.本文在破膜前的驱动段定容燃烧以及破膜后的化学非平衡流动数值模拟中,引入双时间步长方法,发展高温激波管化学非平衡流动数值模拟方法,该方法在时间上具有二阶精度.计算结果与目前存在的激波管流动解析解以及零维化学反应系统的数值解进行了比较,吻合较好.对于典型高温激波管状态,采用有限体积方法离散准一维流动Euler控制方程,并通过将流动过程和化学反应动力学过程耦合求解,获得了激波管内部的化学非平衡流动特征.     

一般形式的二维时—空守恒格式

本文将经作者改进后的一维时－空守恒格式推广到了二维情形，得到了一个一般形式的二维Ｅｕｌｅｒ方程时－空守恒格式，该格式对各种不规则几何区域内的流动问题具有很强的适应性，同时它还保留了一维格式的优点。几个典型算例的计算结果表明，本文格式不仅精度高，通用性好，而且对激波等间断具有很高的分辨率。     

涡旋式压缩机排气系统气流脉动现象研究

研究了涡旋式空气压缩机排气系统的气流脉动现象，首次提出了排气孔口侵入现象及计算方法。由一维非定常流动理论建立了排气系统气流脉动的计算模型，利用匀熵修正理论进行了边界条件处理，并运用Ｌ－Ｗ两步计算法进行了数值计算。试验样机的实测结果与数值计算结果吻合较好。研究内容对于新型压缩机——涡旋式空气压缩机的设计具有指导意义。     

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.     

非定常IV型激波－激波干扰数值模拟研究

对IV型激波-激波干扰非定常流动进行了数值模拟，采用有限体积法，结合空间半隐的二阶OC-TVD格式与时间二阶显式Runge-Kutta法求解三维全N-S方程，并且使用了Baldwin-Lomax代数湍流模型．得到了周期性流场变化结果，其中包括周期变化的双涡结构．壁面压强峰值的大小和位置均呈周期性振动，壁面压力系数和Stanton数的时均分布与定常实验结果符合得较好．并从一周期内流场结构的扰动传播出发，分析了结构变化的相位，说明了IV型激波一激波干扰内在的非定常性机理与影响因素。     

一维与二维爆轰传播的时空关联特性数值研究

一维爆轰传播的理论完备、计算准确, 二维斜爆轰传播由于壁面与黏性效应, 大尺度、高精度预测还有一定难度. 利用Euler方程和H₂-Air基元反应模型, 对二维有限长楔面诱导的斜爆轰和活塞驱动一维非定常正爆轰进行计算比较研究, 从时空两个维度方面, 分析了两者在起爆过程、稀疏波传播、爆轰波面演化中的关联特性. 研究结果表明: 在过驱动度相同的条件下, 经过时空变换的活塞驱动一维爆轰传播与二维驻定斜爆轰在起爆区波系结构、波面演化特征和主要参数分布规律方面无论定性或者定量对比均符合较好, 所以, 一维非定常爆轰和二维驻定斜爆轰具有时空相关性. 两者的差异主要体现在过驱动斜爆轰受稀疏波影响过渡到近Chapman-Jouguet (C-J)爆轰状态所需的弛豫时间不同, 原因可能是起源于活塞和壁面稀疏波强度的差异. 本文提出的一维与二维爆轰传播的时空关联方法不仅有助于认知斜爆轰起爆、过驱爆轰产生、胞格爆轰演化的三阶段规律, 还可以对比揭示壁面、边界层和黏性效应的影响, 应用在斜爆轰发动机燃烧室设计中能够有效节约计算时间和成本, 并降低复杂度.      

7阶WENO-S格式的计算效率研究

WENO-S格式是一类适合于含间断问题数值模拟的加权本质无振荡格式.这类格式的光滑因子满足对单频波为常数,这使得其近似色散关系与线性基底格式一致,并且具有良好的小尺度波动模拟能力．计算效率是数值方法性能指标的一个重要方面.由于WENO-S格式的光滑因子在各子模板上的计算公式除下标不同外形式一致,在计算线性对流方程相邻数值通量时,部分光滑因子完全相同．为此提出一种消除WENO-S格式冗余光滑因子计算的方法.该方法要求一条网格线上用于重构或插值的量可以表示为一个序列.基于此要求分析其对于几种不同物理问题的可行性和使用方法.以7阶WENO-S格式为例介绍了格式性质和去除冗余光滑因子计算的方法.该方法中预先计算和存储一条网格线上的所有光滑因子,在网格点较多的情况下,光滑因子计算次数约为原7阶WENO-S格式的1/4.对一维对流问题、球面波传播问题、二维旋转问题、二维小扰动传播问题及一维和二维无黏流动问题进行了数值模拟.结果表明该格式对多种流动结构具有良好的捕捉能力,并且同时具有良好的计算效率,去除冗余计算后又降低了约20%的计算时间.     

非定常俯抑振荡下的横向喷流数值模拟

采用高精度格式数值求解RANS方程,研究了定常状态下横向喷流流场,压力分布计算结果与实验结果基本吻合,并捕捉到喷流干扰流场中多种流动结构.在非定常计算过程中,飞行器的振动引起了法向力和俯仰力矩系数的相位滞后,推力放大因子随俯仰角周期变化.飞行器振动过程中,喷流流场的动态气动特性与稳态喷流有明显的区别,因此在利用横向喷流对飞行器进行姿态控制时,应该考虑由于飞行器姿态的变化对横向喷流所产生的非定常影响问题.     

翼型、机翼非定常运动模式下动态数值模拟

基于RANS方程,通过刚性动网格技术实现对翼型和机翼典型运动模式的描述,采用双时间推进方法和Roe空间离散格式对流场求解,构建了一个非定常气动计算平台;以NACA0012翼型为算倒进行了动态数值模拟可信度验证。数值模拟结果与试验数据吻合较好,升力和俯仰力矩的最大计算误差分别为3％和10％,表明了该平台的可靠性。另外,还数值模拟了M6机翼的动态非定常流场,并分析了两种湍流模型对非定常流场激波的捕捉能力。结果表明非定常流动中S-A湍流模型对激波的捕捉较B-L模型更敏感。文中开发的非定常计算平台对进一步解决三维复杂流场的流动问题有很高的工程应用价值。