科学计算程序的验证与确认

科学计算程序的验证和确认（Verification＆Validation，简称V＆V）是数值模拟的一个重要组成部分，其目的是为了评估模拟程序和物理模型的可靠性，并量化数值模拟程序计算结果的置信度。这是解决全系统试验无法进行或者代价十分昂贵情况下，确保数值模拟置信度的一种系统方法。     

散乱物理量逼近的重映算法

在计算流体力学(CFD)领域，几乎所有的方法都离不开网格，网格是各种数值方法的基础。网格质量的好坏直接影响数值结果的精度，甚至影响到数值计算的成败。为此CFD工作者发展了许多方法。如迭合网格、贴体网格和非结构网格，为了更好地数值模拟大变形问题，又进一步发展了结构/非结构混合网格的技术，尤其是发展了网格跟随流场智能化调整的网格自适应技术。这些网格技术的发展，几乎都涉及网格的变动，只要改动网格就涉及物理量的重映。重映方法一般被分为两种类型：插植重映和积分重映。所谓插植重映方法就是在计算区域D上，用已知网格上的物理量分布，通过插值理论把它插值到新网格或任意定义的规则网格上的一个过程，通过这个过程给出新网格的物理量的分布。所谓积分重映方法就是用积分的形式把旧网格上的守恒量重新映射到新网格上。如对某种体积密度分布q，简单的积分形式为     

针对流体大变形问题网格邻域可变技术

结合大量实际问题,研究基于邻域可变的拉氏局部重分新方法,允许网格邻域在计算中局部跟随流体可变,虽然可能会导致任意多边形网格,但比标准的拉氏+重分方法有更好的拉氏特点.网格邻域可变的局部重分策略是基于计算过程中处理网格相交的思想,即在网格相交处改变网格邻域关系,使网格不会出现相交,保持计算正常进行.通过几个数值例子论证方法的特点,并与标准的拉氏+重分方法进行比较,显示其优点.     

辐射流体力学Lagrange方程组一类人为解构造方法

针对一维Lagrange辐射流体力学方程组,基于物理量在Euler空间和Lagrange空间的微分关系,提出了一种人为解构造方法,并构造了一类一维Lagrange辐射流体力学方程组人为解.构造的人为解在整个计算区域光滑可微,质量方程无源项.将构造的人为解应用至二维辐射流体力学Lagrange程序中,从数值误差、收敛阶方面验证了程序的正确性,展示了人为解的可行性和适用性.     

爆轰计算JWL状态方程参数的不确定度

针对爆轰计算JWL状态方程参数,开展不确定度量化研究。首先从JWL状态方程性质出发,结合数学、物理分析确定JWL状态方程中主要参数R1 的概率分布范围,然后利用非嵌入多项式混沌展开方法对PBX9404炸药驱动飞层外界面速度进行了不确定度量化分析。给出的分析方法与分析流程对爆轰计算及其他工程数值模拟不确定度量化有一定参考作用。     

任意区域上的粒子均匀分布方法

给出了任意区域内粒子的Voronoi面积均匀划分的方法,对给定的区域边界点,先由边界点得到边界粒子,再利用分布函数结合Delaunay加点算法得到内部粒子,这种方法可以得到一般的区域上粒子的均匀分布。这里给出了一个流体力学中利用SPH方法模拟内爆问题的例子,算例表明,均匀分布可以得到更高的无网格方法数值模拟精度。     

基于自适应和投影Wiener混沌的圆筒实验不确定度量化

由于炸药爆轰现象的复杂性和人们对它的认知缺陷,其表征爆轰流体力学过程的物理数学模型具有较强的不确定性,要降低基于爆轰建模与模拟的数值结果做出决策的风险,量化和评估不确定输入对爆轰系统输出结果的影响尤为重要。本文中针对具有高维随机变量的爆轰问题的不确定度量化,使用自适应基函数的Wiener混沌方法、耦合旋转变换和投影方法,减少截断空间的长度。针对输入变量相关性,使用Rosenblatt变换使其相互独立。针对不符合标准正态分布的变量使用等概率原则,将它化为标准正态分布。最后,使用自主研发的具有完全知识产权的爆轰数值模拟软件LAD2D,研究了具有高维不确定参数的圆筒实验的不确定度量化,给出期望、标准差、置信区间等统计信息,所得问题与实验数据比对,从而确认了模型的有效性。     

混合不确定度量化方法及其在计算流体动力学迎风格式中的应用

针对流体力学数值求解间断问题时,初始状态含有偶然和认知混合型的不确定性,将认知不确定度作为外层,偶然不确定度作为内层,分别使用非嵌入多项式混沌方法(non-intrusive polynomial chaos,NIPC)和概率盒(P-box)理论处理偶然不确定度和认知不确定度,发展了流体力学数值求解过程中,初始状态含有混合不确定度传播量化的一种方法。以迎风格式和黎曼解法器求解Sod问题为例,评估了左状态密度(偶然不确定度)和理想气体多方指数(认知不确定度)对模型输出结果的影响,有效验证了该方法的可行性。     

多边形交错网格的守恒重映算法

提出基于细分和数值积分思想的一种离散的守恒重映方法——质点重映方法.密度分布可采用一阶精度的分片常数分布,或二阶精度的分片线性分布.分片线性密度分布函数采用面平均方法构造.重映过程中,借助四边形辅助网格,实现了交错网格节点量的重映.质点重映方法既适用于结构网格,也适用于非结构网格,且不要求新旧网格之间一一对应.数值结果表明,一阶精度重映算法健壮性好,但会产生较大的扩散效应;二阶精度重映算法可较好地保持密度分布的特性,但存在单调性问题.为改善二阶精度重映方法单调性,将结构网格质量守恒调整算法推广到非结构网格上,以限制新网格的质量密度.给出了一些重映的例子,并进行了误差分析.     

二维拉氏辐射流体力学人为解构造方法

人为构造解方法是复杂多物理过程耦合程序正确性验证的重要方法之一,适用于二维拉氏大变形网格的流体、辐射耦合人为解模型较为少见。针对拉氏辐射流体力学程序正确性验证的需要,从二维拉氏辐射流体力学方程组出发,基于坐标变换技术,给出了拉氏空间到欧氏空间的物理变量导数关系式,开展了辐射流体耦合的人为解构造方法研究,构造了一类质量方程无源项的二维人为解模型,并应用于非结构拉氏程序LAD2D辐射流体力学计算的正确性考核,为流体运动网格上的辐射扩散计算提供了一种有效手段。数值结果显示观测到的数值模拟收敛阶与理论分析一致。