基于混合网格多维梯度重构的热流预测方法研究

高超声速气动热环境的数值计算对算法和网格的敏感度极高. 随着高超声速飞行器外形日益复杂, 生成高质量的结构网格时间成本呈指数增加, 难以满足工程应用的需求. 非结构/混合网格因具有很强的复杂外形适应能力, 为了缩短任务周期, 有必要在非结构/混合网格上开展高精度的气动热环境数值计算方法研究. 梯度重构方法是影响非结构/混合网格热流计算精度的重要因素之一. 本文通过引入多维梯度重构方法, 发展了基于常规的非结构/混合网格的高精度热流计算方法, 对典型的高超声速Benchmark算例(二维圆柱)进行了模拟, 并与气动力计算广泛采用的Green-Gauss类方法和最小二乘类方法进行了对比. 计算结果表明, 多维梯度重构方法能有效提高非结构/混合网格热流预测精度, 其鲁棒性和收敛性更好. 最后将多维梯度重构方法应用于常规混合网格的三维圆柱和三维双椭球绕流问题, 得到了与实验值吻合较好的热流计算结果, 展现了良好的应用前景.      

非结构网格二阶有限体积法中黏性通量离散格式精度分析与改进

非结构网格二阶有限体积离散方法广泛应用于计算流体力学工程实践中,研究非结构网格二阶精度有限体积离散方法的计算精度具有现实意义. 计算精度主要受到网格和计算方法的影响,本文从单元梯度重构方法、黏性通量中的界面梯度计算方法两个方面考察黏性流动模拟精度的影响因素. 首先从理论上分析了黏性通量离散中的“奇偶失联”问题,并通过基于标量扩散方程的制造解方法验证了“奇偶失联”导致的精度下降现象,进一步通过引入差分修正项消除了“奇偶失联”并提高了扩散方程计算精度;其次,在不同类型、不同质量的网格上进行基于扩散方程的制造解精度测试,考察单元梯度重构方法、界面梯度计算方法对扩散方程计算精度的影响,结果显示,单元梯度重构精度和界面梯度计算方法均对扩散方程计算精度起重要作用;最后对三个黏性流动算例(二维层流平板、二维湍流平板和二维翼型近尾迹流动)进行网格收敛性研究,初步验证了本文的结论,得到了计算精度和网格收敛性均较好的黏性通量计算格式.      

HyperFLOW软件非结构网格亚跨声速湍流模拟的验证与确认

计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟在航空航天等领域发挥越来越重要的作用,然而CFD数值模拟结果的可信度仍然需要通过不断地验证与确认来提高.本文给出了从制造解精度测试、简单到复杂外形湍流模拟网格收敛性研究等三个方面开展CFD软件验证与确认的方法,并对自主研发的CFD软件平台HyperFLOW在非结构网格上模拟亚跨声速湍流问题的能力进行了验证与确认.首先通过基于Euler方程和标量扩散方程的制造解精度测试,分别验证了HyperFLOW在非结构网格上对Euler方程和黏性项的求解精度,结果表明其能够在任意非结构网格上达到设计的二阶精度. 其次,通过NASATurbulence Modeling Resource中的湍流平板、二维翼型近尾迹流动、二维Bump等几个典型的亚声速湍流算例的网格收敛性研究,量化考察了数值结果的观测精度阶和网格收敛性指数,并与国外知名CFD解算器CFL3D,FUN3D的计算结果进行了对比,验证了HyperFLOW对简单湍流问题的模拟能力,且具有良好的网格收敛性和计算精度(阶). 最后,通过NASA CommonResearchModel标模定升力系数的网格收敛性研究和升阻极曲线预测,验证了软件在复杂外形亚跨声速湍流流动数值模拟中也具有良好的可信度.      

基于制造解的非结构二阶有限体积离散格式的精度测试与验证

随着计算机技术的飞速进步,计算流体力学得到迅猛发展,数值计算虽能够快速得到离散结果,但是数值结果的正确性与精度则需要通过严谨的方法来进行验证和确认.制造解方法和网格收敛性研究作为验证与确认的重要手段已经广泛应用于计算流体力学代码验证、精度分析、边界条件验证等方面.本文在实现标量制造解和分量制造解方法的基础上,通过将制造解方法精度测试结果与经典精确解(二维无黏等熵涡)精度测试结果进行对比,进一步证实了制造解精度测试方法的有效性,并将两种制造解方法应用于非结构网格二阶精度有限体积离散格式的精度测试与验证,对各种常用的梯度重构方法、对流通量格式、扩散通量格式进行了网格收敛性精度测试.结果显示,基于Green-Gauss公式的梯度重构方法在不规则网格上会出现精度降阶的情况,导致流动模拟精度严重下降,而基于最小二乘(least squares)的梯度重构方法对网格是否规则并不敏感.对流通量格式的精度测试显示,所测试的各种对流通量格式均能达到二阶精度,且各方法精度几乎相同;而扩散通量离散中界面梯度求解方法的选择对流动模拟精度有显著影响.     

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.      

全局方向模板对非结构有限体积梯度与高阶导数重构的影响

模板选择方式对非结构有限体积方法的计算准确性会产生显著影响.在之前的工作中,基于局部方向模板存在的问题,我们探索了一种更加简单有效的全局方向模板选择方法,并将其应用于二阶精度非结构有限体积求解器.基于该方法找到的模板单元均沿着壁面法向与流向,可有效捕捉流场变化,反映流动的各向异性,并且模板选择过程脱离了对网格拓扑的依赖,避免了局部方向模板选择方法中复杂的阵面推进与方向判断过程,克服了在大压缩比三角形网格上模板单元偏离壁面法向的现象,同时在二阶精度求解器上得到了较高的计算精度与计算准确性.为了进一步验证全局方向模板在高阶精度非结构有限体积方法中应用的可行性,本文初步测试了该模板对变量梯度及高阶导数重构的影响.经检验,在不同类型的网格上,采用全局方向模板得到的变量梯度与高阶导数误差明显低于局部方向模板,同时也低于共点模板的计算误差.此外,在高斯积分点处由全局方向模板得到的变量点值与导数误差同样在三种模板中最低.因此该模板选择方法在非结构有限体积梯度与高阶导数重构方面具有较好的数值表现,具备在高阶精度非结构有限体积求解器中应用并推广的可行性.     

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.     

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.     

复杂无粘流场数值模拟的矩形/三角形混合网格技术

建立了一套模拟复杂无粘流场的矩形／三角形混合网格技术，其中三角形仅限于物面附近，发挥非结构网格的几何灵活性，以少量的网格模拟复杂外型；同时在以外的区域采用矩形结构网格，发挥矩形网格计算简单快速的优势，有效地克服全非结构网格计算方法需要较大内存量和较长ＣＰＵ时间的不足．混合网格系统由修正的四分树方法生成．将ＮＮＤ有限差分与ＮＮＤ有限体积格式有机地融合于混合网格计算，消除了全矩形网格模拟曲边界的台阶效应，同时保证了网格间的通量守恒．数值实验表明本方法在模拟复杂无粘流场方面的灵活性和高效性．     

三维非结构网格DSMC方法的实现及其应用

研究了三维非结构网格DSMC方法实现的过程。将Bird位置元方案中的子网格思想引入到非结构网格上来,只存储子网格的总体标识号,利用较少的计算网格提高了分子的分辨率与计算精度。提出了将体积元坐标搜索算法与交替数字二叉树搜索算法(ADT)相结合的方法来跟踪模拟分子在网格之间的迁移,使用ADT方法判别分子与物面是否作用,避免了分子表面反射的非确定论判据。利用Fortran 90的动态分配内存技术编制了通用计算程序。最后对高超声速过渡流域航天飞机头部外形绕流进行了数值模拟,数值结果初步验证了算法的可行性。     

An accurate gradient and Hessian reconstruction method for cell‐centered finite volume discretizations on general unstructured grids

In this paper, a novel reconstruction of the gradient and Hessian tensors on an arbitrary unstructured grid, developed for implementation in a cell‐centered finite volume framework, is presented. The reconstruction, based on the application of Gauss' theorem, provides a fully second‐order accurate estimate of the gradient, along with a first‐order estimate of the Hessian tensor. The reconstruction is implemented through the construction of coefficient matrices for the gradient components and independent components of the Hessian tensor, resulting in a linear system for the gradient and Hessian fields, which may be solved to an arbitrary precision by employing one of the many methods available for the efficient inversion of large sparse matrices. Numerical experiments are conducted to demonstrate the accuracy, robustness, and computational efficiency of the reconstruction by comparison with other common methods. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

Finite volume scheme for the solution of fluid flow problems on unstructured non‐staggered grids

A recently developed non‐staggered methodology which uses the principle of applying fourth‐order dissipation to the governing pressure‐correction equation is developed so it can be applied to unstructured grids. A finite volume methodology is used for discretization. The fourth‐order dissipation term is found using second‐order gradient operators. This makes it straightforward to incorporate the dissipation term on unstructured grids. The new methodology is compared with solutions from a standard finite volume second‐order flow solver and is also tested for a standard laminar driven‐lid flow problem with grids systems that do not have a uniform structure. Finally, we demonstrate how the new methodology can be used to predict flow over a wavy boundary. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

2‐D transmitral flows simulation by means of the immersed boundary method on unstructured grids

Interaction between computational fluid dynamics and clinical researches recently allowed a deeper understanding of the physiology of complex phenomena involving cardio‐vascular mechanisms. The aim of this paper is to develop a simplified numerical model based on the Immersed Boundary Method and to perform numerical simulations in order to study the cardiac diastolic phase during which the left ventricle is filled with blood flowing from the atrium throughout the mitral valve. As one of the diagnostic problems to be faced by clinicians is the lack of a univocal definition of the diastolic performance from the velocity measurements obtained by Eco–Doppler techniques, numerical simulations are supposed to provide an insight both into the physics of the diastole and into the interpretation of experimental data. An innovative application of the Immersed Boundary Method on unstructured grids is presented, fulfilling accuracy requirements related to the development of a thin boundary layer along the moving immersed boundary. It appears that this coupling between unstructured meshes and the Immersed Boundary Method is a promising technique when a wide range of spatial scales is involved together with a moving boundary. Numerical simulations are performed in a range of physiological parameters and a qualitative comparison with experimental data is presented, in order to demonstrate that, despite the simplified model, the main physiological characteristics of the diastole are well represented. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

The influence of source terms on stability,accuracy and conservation in two‐dimensional shallow flow simulation using triangular finite volumes

The two‐dimensional shallow water model is a hyperbolic system of equations considered well suited to simulate unsteady phenomena related to some surface wave propagation. The development of numerical schemes to correctly solve that system of equations finds naturally an initial step in two‐dimensional scalar equation, homogeneous or with source terms. We shall first provide a complete formulation of the second‐order finite volume scheme for this equation, paying special attention to the reduction of the method to first order as a particular case. The explicit first and second order in space upwind finite volume schemes are analysed to provide an understanding of the stability constraints, making emphasis in the numerical conservation and in the preservation of the positivity property of the solution when necessary in the presence of source terms. The time step requirements for stability are defined at the cell edges, related with the traditional Courant–Friedrichs–Lewy (CFL) condition. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.