AUFS格式在无网格方法中的应用

将计算量小,激波分辨率高的AUFS (artificially upstream flux vector splitting) 格式应用于无网格方法. 所发展算法基于多项式基函数最小二乘无网格方法,采用线性基函数曲面拟合及AUFS 格式计算各离散点的空间导数,应用四阶Runge-Kutta 法进行时间显式推进. 为验证算法健壮性、精度以及计算效率,对Riemann 问题、超音速平面流动,以及不同攻角NACA0012 翼型跨音速流场进行了数值模拟,其结果同采用HLLC (Harten-Lax-van Leer-contact) 格式的无网格方法以及文献报道结果吻合较好,并且计算量较形式简单HLLC 格式减少约15%.     

结构可靠性仿真方法研究简

可靠性仿真是对复杂结构系统进行可靠性分析计算最为有效的方法,引起了研究者越来越广泛的关注. 综合目前结构可靠性仿真方法研究现状,介绍了蒙特卡罗（Monte-Carlo,MC）法、极限状态方程重构法、随机有限元法（stochastic finite element method,SFEM）进行结构可靠性仿真计算的特点及发展现状,归纳了固体火箭发动机（solid rocket motor,SRM）结构可靠性的特点及当前进行仿真的方法;并在此基础上分析了目前结构可靠性仿真方法及对SRM 结构可靠性进行仿真分析计算时存在的不足及需要进一步研究的内容.     

新型涡轮流量计的理论模型简

基于动量力矩定理和流体边界层理论,建立了一新型涡轮流量计的理论模型. 利用该理论模型可以分析叶轮几何参数对流量计计量性能的影响. 以一DN50 涡轮流量计为例,利用本文所建立的理论模型对该流量计的仪表系数进行了计算,并在一体积管标准装置对该流量计的仪表系数进行标定. 结果表明,计算值和实验值较为吻合,误差在±;3.5% 以内,验证了模型的有效性,从而为仪表的结构优化设计提供了理论依据.     

串列风力机尾流干扰的研究简

广义致动盘方法是通过引入体积力代替叶片的致动盘技术与三维Navier-Stokes 方程相结合来获得风力机周围流场信息的一种方法. 该方法避免了花费大量网格与计算资源去求解风力机叶片的附面层,从而可以把更多的网格与计算资源用于风力机尾流流场的模拟,非常适合用于风力机尾流流场的研究. 以NH1500风力机为计算模型,将常规CFD (computational fluid dynamics) 方法与广义致动盘方法计算所得的叶片载荷分布进行比较,以验证广义致动盘方法的可行性. 然后使用广义致动盘方法对风场中串列风力机进行数值模拟,研究串列风力机之间间距变化时,上游风力机产生的尾流对下游风力机的干扰影响.     

低渗透多孔介质中的非线性渗流理论简

文中论述了低渗透性多孔介质中非线性渗流理论的几个问题,阐明了渗流流体的性质,指出了多孔介质对流体通过的选择性,提出了新的非线性渗流方程,用实验资料对其进行了验证,分析了该方程演变功能,表明它可以描述各种渗流规律.该方程的各项参数都可从实验中直接得到,应用方便,并且参数的物理意义明确.     

基于有限变形理论的数值流形方法研究简

原有数值流形方法通过积累每一时步的小变形而得到结构最终的大变形,然而,当结构发生大变形、大转动时往往产生较大计算误差. 针对该问题,从动量守恒方程以及应力边界条件的积分弱形式出发,引入流形方法的插值函数,建立了基于有限变形理论的数值流形方法. 通过对比改进前后流形方法的计算迭代格式,指出了原有流形方法计算大变形问题时的误差来源. 最后,通过大变形悬臂梁和旋转块体算例对有限变形流形方法进行了验证. 数值结果表明,改进后的流形方法能够很好地处理大变形大转动问题,消除了转动所带来的计算误差,其计算结果与解析解及ABAQUS 软件求得的数值解相吻合.     

井壁失稳区域确定方法及影响因素分析简

井壁失稳区域及其面积能够反映井壁失稳破坏特性及其严重程度,以井壁安全系数作为识别准则,建立了井壁失稳区域识别方法,并基于Monte-Carlo 方法,给出了井壁失稳面积的计算方法. 以井壁坍塌为例,分析了钻井液密度、井斜角及方位角对井壁失稳区域特性的影响,以本文建立的失稳区面积计算方法,分析了不同地应力场中井眼轨迹对井壁失稳区大小的影响,评价结果符合工程实际,表明能够利用本文方法评价井壁失稳特性及其严重程度.     

浮泥对非线性波的运动响应简

将浮泥作为高黏度牛顿流体,与水体构成互不相混的两相流体,基于垂向二维RANS 方程(Reynolds-averaged Navier-Stokes)、SST 湍流模式(shear-stress transport),利用流体体积法(volume of fluid,VOF),结合数值造波、消波技术模拟波浪,建立了波泥耦合运动的数学模型,研究了线性波、Stokes波和椭余波作用下,浮泥界面的运动响应. 发现在各种波浪条件下,界面位移与表面位移间有相近的波形,两者间存在相位差,其值随周期和波高的变化不大;界面波高基本正比于表面波高,它随周期的增长呈单调增大的趋势.     

基于PCE方法的翼型不确定性分析及稳健设计简

由于能够获得一个既经济又对参数变化不敏感的设计结果,稳健型设计在工程设计中备受关注. 不确定性分析是稳健型设计的关键. 因此研究了基于混沌多项式的不确定性分析方法,并将其与CFD 方法结合,对计算空气动力学设计中的不确定性影响进行了量化分析. 首先以RAE2822 翼型为算例,对其跨音速马赫数不确定影响进行了分析,研究了多项式阶次对计算的影响,分析了平均流场和方差. 接着结合超临界翼型的马赫数稳健型设计验证了混沌多项式方法在稳健型设计中的有效性. 优化结果表明,稳健型优化后的翼型阻力系数明显降低,同时对于马赫数的敏感性显著减小. 通过分析表明混沌多项式方法能够大幅提高稳健型优化设计效率,能很好地应用于气动稳定性设计.     

幂律流体圆柱绕流的格子波尔兹曼模拟简

基于插值补充格子波尔兹曼方法和幂律流体的本构方程,建立了贴体坐标系下适用于幂律流体的格子波尔兹曼模型,模拟了幂律流体的圆柱绕流问题,采用非平衡外推格式处理圆柱表面的速度无滑移边界,利用应力积分法确定曳力系数和升力系数,并与基于标准的格子波尔兹曼方法和有限容积法获得的数值数据进行对比,吻合良好. 进行了网格无关性验证之后,分析了稳态流动时,不同雷诺数下幂律指数对于尾迹长度、分离角、圆柱表面黏度分布、表面压力系数及曳力系数的影响,以及非定常流动中,幂律指数对于流场、曳力系数、升力系数和斯特劳哈尔数的影响. 获得的变化规律与基于其他数值模拟方法得到的结果相一致,充分验证了模型的有效性和正确性. 结果表明：插值补充格子波尔兹曼方法可以用来模拟幂律流体在具有复杂边界流场内的流动问题,通过引入不同的非牛顿流体本构方程,该方法还可以进一步应用于其他类型的非牛顿流体研究中.     

Computation of non-equilibrium hypersonic flow with artificially upstream flux vector splitting (AUFS) schemes

The AUFS scheme has been presented for solving the Euler equations [Sun, M., Takayama, K., 2003. An artificially upstream flux vector splitting scheme for the Euler equations. Journal of Computational Physics, 189, 305–329]. An extension of this high resolution scheme-based on upwind numerical methods has been developed to calculate a two-dimensional hypersonic viscous flowfield in thermochemical non-equilibrium. The time-dependent Navier–Stokes governing equations are computed by using a multi-block finite volume technique on a structured mesh. The convective fluxes at the interfaces are evaluated using a flux vector splitting (FVS) method with a second-order reconstruction of the interface values and the viscous terms are discretised by second-order central differences. A better evaluation of aerodynamic parameters are obtained with this AUFS scheme and they are also compared to those obtained by previous works. The freestream flow conditions of these computations correspond to high-enthalpy flows with a Mach number range between 6.4 and 25.9. The obtained numerical results indicate that the AUFS scheme is accurate, robust, and efficient for the calculation of hypersonic flow.     

An upstream flux‐splitting finite‐volume scheme for 2D shallow water equations

An upstream flux‐splitting finite‐volume (UFF) scheme is proposed for the solutions of the 2D shallow water equations. In the framework of the finite‐volume method, the artificially upstream flux vector splitting method is employed to establish the numerical flux function for the local Riemann problem. Based on this algorithm, an UFF scheme without Jacobian matrix operation is developed. The proposed scheme satisfying entropy condition is extended to be second‐order‐accurate using the MUSCL approach. The proposed UFF scheme and its second‐order extension are verified through the simulations of four shallow water problems, including the 1D idealized dam breaking, the oblique hydraulic jump, the circular dam breaking, and the dam‐break experiment with 45° bend channel. Meanwhile, the numerical performance of the UFF scheme is compared with those of three well‐known upwind schemes, namely the Osher, Roe, and HLL schemes. It is demonstrated that the proposed scheme performs remarkably well for shallow water flows. The simulated results also show that the UFF scheme has superior overall numerical performances among the schemes tested. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

AN APPLICATION OF THE CBS SCHEME IN THE FLUID-MEMBRANE INTERACTION

提出了一种不可压缩流体与弹性薄膜耦合问题的特征线分裂有限元解法. 首先, 给出了流场和结构的控制方程. 然后, 对流场、结构以及流固耦合的具体求解过程进行了描述. 其中, 流场求解采用改进特征线分裂方法和双时间步方法相结合的隐式求解方式, 并利用艾特肯加速法对每个时间步的迭代收敛过程进行了加速处理;结构部分的空间离散和时间积分分别采用伽辽金有限元方法和广义方法, 并通过牛顿迭代法对所得非线性代数方程组进行了求解;流场网格的更新采用弹簧近似法;流场、结构两求解模块之间采用松耦合方式.最后, 采用该方法对具有弹性底面的方腔顶盖驱动流问题进行了求解, 验证了算法的准确性和稳定性.此外, 计算结果表明艾特肯加速法可以显著地提高双时间步方法迭代求解过程的收敛速度.     

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．     

谐波平衡法在动导数快速预测中的应用研究

谐波平衡法以傅里叶级数展开为基础,将周期性非定常流场的非定常求解过程转化为几个定常流场的耦合求解过程,并通过重建得到整个流场的非定常过程. 建立了基于谐波平衡法的动导数快速预测方法,数值模拟了超声速带翼导弹俯仰的动态流场,并通过积分法获取了俯仰动导数,与实验结果吻合很好;且在同等计算精度下,谐波平衡法的计算效率是双时间步方法的13 倍. 应用谐波平衡法研究了较大范围内减缩频率对俯仰动导数的影响规律. 研究发现,对于本外形,当减缩频率降低到一定值后,俯仰动导数的值迅速变化,甚至发生变号;对此现象产生的原因进行了深入分析,并通过对导弹自激俯仰运动的数值模拟验证了该结果. 此外,针对大攻角条件下动态流场非线性强的特点,开展了谐波平衡法在大攻角下的适用性研究. 结果表明,谐波平衡法在大攻角下也能取得很好的计算结果.      

激波诱导燃烧流场模拟的无网格算法

发展了基于无网格方法的激波诱导燃烧流场数值模拟算法. 该算法采用二维多组分Euler方程,在点云离散的基础上采用曲面逼近计算空间导数,引入多组分HLLC （Harten-Lax-van Leer-contact） 格式计算无黏通量,运用四阶Runge-Kutta 法进行时间显式推进,化学动力学采用有限速率反应模型. 对不同预混气体中的激波诱导燃烧流场进行了数值模拟,结果同相关文献吻合较好,验证了算法的正确性.     

二维时-空守恒格式及其在激波传播计算中的应用

将改进后的一维时－空守恒格式推广到了二维情形,得到了一个新的一般形式的二维Ｅｕｌｅｒ方程时－空守恒格式,并用该格式对几个具有复杂波系的流场进行了数值模拟。结果表明,该格式保留了一维格式通用性好、结构简单的优点,其计算结果精度高,对激波等间断具有很强的分辨率。     

使用时间插值的特征线法在光滑粒子法拉氏边界条件中的应用

在计算流体动力学的实际应用中无反射边界条件是一个重要的研究课题. 文中应用时间插值的特征线方法构造了一种新式的拉氏边界条件,并应用在光滑粒子法中. 该方法与使用特征线方法的欧拉边界条件方法相比,不需要区分超声速和亚声速流的不同,并且在入流和出流中具有相同的形式,因而更加简便易行. 数值结果表明,采用时间插值特征线法的拉氏边界条件方法在稀疏波、激波以及爆轰波的模拟中都能够得到较好的无反射效果.      

气体动理学统一算法的隐式方法研究

目前的气体动理学统一算法(unified gas kinetic scheme, 简称UGKS) 在求解高速流动问题时的计算效率,难以满足求解复杂工程问题的需求. 为了提高该算法的计算效率, 本文对模型方程的对流项和碰撞项进行了隐式处理, 并针对UGKS 界面通量与演化时间相关的特点, 引入了演化时间平均界面通量, 通过对控制方程矩阵进行近似LU 分解(lower-upper decomposition), 实现了隐式UGKS. 不同来流马赫数的圆柱绕流算例测试表明, 只要演化时间选取得当, 隐式方法可以得到与显式方法完全相同的结果, 且计算效率可以提高1~2 个量级.