基于深度残差网络的高精度自然转捩模拟方法

结合机器学习的湍流模型是流体力学领域的研究热点之一.现有方法主要将实验/数值的数据用于重构或修正湍流涡黏性和雷诺应力,鲜有针对转捩问题的研究.本文利用深度残差网络(ResNet)重构了间歇因子与流场平均量间的映射函数,并与Spallart-Allmaras (SA)模型耦合,发展了一种类代数转捩模型.结合高精度加权紧致非线性格式(WCNS-E6E5)在转捩平板和S809翼型算例中进行了验证,并与四方程的SST-7-及ed转捩模型进行了对比,结果表明:纯数据驱动的ResNet模型能够准确预测间歇场,很大程度上改善了SA模型对自然转捩流动的模拟能力;训练数据仅基于两个零压力梯度转捩平板,模型能够应用于S809翼型不同迎角的情况,预测的升阻力特性和摩擦系数分布接近SST-γ-Re_θ转捩模型的结果;在此基础上,相较SST-γ-Re_θ模型节省了超过30%的计算成本.本研究显示了机器学习方法在转捩模型构建中的强大潜力.     

高精度非线性格式WCNS的分析研究与其应用

首先将Fourier方法推广于高维方向研究了五阶精度WCNS的特性,并与其他高阶格式进行比较。分析结果表明WCNS的高精度特性普遍接近甚至好于迎风偏置五阶显式格式EUW-5与Pade′标准格式。然后开展了WCNS的应用研究,采用高效率的WCNS-E-5数值模拟了含强激波的高维复杂流场。算例包括二维高超声速边界层对自由流扰动波的吸收问题以及三维球头绕流问题。计算结果反映出WCNS-E-5对激波等间断的良好捕捉能力,图像清晰光滑,数据准确可靠。     

一种可压缩流动的高阶加权紧致非线性格式(WCNS)的加速收敛方法

以高超声速粘性绕流的数值模拟为例,研究LU-SGS、高斯-赛德尔点松弛、线松弛以及GMRES等隐式求解方法在空间项采用高阶精度格式WCNS离散时的收敛性,并对GMRES(generalized minimal residual)方法中的子迭代影响作了对比计算.结果表明,采用准确的解析雅克比矩阵的点、线松弛的收敛速度优于LU-SGS,以线松弛为预处理的GMRES算法具有良好的收敛特性.     

飞行器大攻角复杂流动的POD和DMD对比分析

基于非结构/混合网格、耗散自适应2阶混合格式以及脱体涡模拟（detached eddy simulation,DES）方法开展了现代战斗机模型复杂分离流动的数值模拟,并与有限的平均气动力试验数据进行了对比,结果表明计算具有合理性,在此基础上进一步应用本征正交分解（proper orthogonal decomposition,POD）和动力学模态分解（dynamic mode decomposition,DMD）方法对数值模拟流场的非定常特性进行了对比分析.研究表明飞行器背风区流场由一对边条涡的螺旋运动主导,旋涡破裂前在横向空间截面上流场是中性稳定的,同时主涡核的运动是多频耦合的.POD和DMD的对比分析则表明:两者模态配对的方式不同,但主要模态之间具有一定相关性;POD模态中包含多种频率的运动,而且能量较集中于主模态,流场重构效率更高;DMD则将流场的主要特征运动提取为一些单频模态的组合,同时能够给出模态的稳定性.      

High-order accurate dissipative weighted compact nonlinear schemes

Based on the method deriving dissipative compact linear schemes (DCS), novel high-order dissipative weighted compact nonlinear schemes (DWCNS) are developed. By Fourier analysis,the dissipative and dispersive features of DWCNS are discussed. In view of the modified wave number, the DWCNS are equivalent to the fifth-order upwind biased explicit schemes in smooth regions and the interpolations at cell-edges dominate the accuracy of DWCNS. Boundary and near boundary schemes are developed and the asymptotic stabilities of DWCNS on both uniform and stretching grids are analyzed. The multi-dimensional implementations for Euler and Navier-Stokes equations are discussed. Several numerical inviscid and viscous results are given which show the good performances of the DWCNS for discontinuities capturing, high accuracy for boundary layer resolutions, good convergent rates (the root-mean-square of residuals approaching machine zero for solutions with strong shocks) and especially the damping effect on the spudous oscillations which were found in the solutions obtained by TVD and ENO schemes.     

常气压辉光放电等离子体对边界层流动的影响

基于Shyy提出的常气压下均匀辉光放电等离子体与空气干扰的物理模型,通过求解电位势方程得到电场分布及作用于流体上的电场力.以NACA0015翼型低速绕流为对象,通过数值求解考虑等离子体作用的流体运动控制方程,研究等离子体位置和个数控制对翼型绕流分离的影响.位于分离点上游的等离子体能够有效地抑制流动分离,而在分离区的等离子体对流动影响很弱,这一结论同实验观察一致,并给出等离子体对翼型壁面压力和气动力影响的规律.     

基于静动态混合重构的DG/FV混合格式

通过比较紧致格式和间断Galerkin(DG)格式, 提出了``静态重构'和``动态重构'的概念,对有限体积方法和DG有限元方法进行统一的表述. 借鉴有限体积的思想, 发展了基于``混合重构'技术的一类新的DG格式, 称之为间断Galerkin有限元/有限体积混合格式(DG/FV格式). 该类混合格式通过适当地扩展模板(拓展至紧邻单元)重构单元内的高阶多项式分布, 在提高精度的同时, 减少了传统DG格式的计算量和存储量. 通过典型一维和二维标量方程的计算发现新的混合格式在有些情况下具有超收敛(superconvergence)性质.      

高阶精度耗散加权紧致非线性格式

基于构造耗散紧致线性格式的方法,发展了新的高阶精度耗散加权紧致非线性格式(DWCNS). 通过Fourier分析方法讨论了DWCNS的耗散与色散特性. 从修正波数来看,DWCNS 在光滑区的精度与显式迎风偏斜的5阶精度格式接近. 发展了边界格式和靠近边界格式,分析了均匀网格和拉伸网格上的渐近稳定性,并讨论了在多维Euler方程和Navier-Stokes方程中的应用. 几个典型的无黏/有黏算例表明DWCNS对间断有很好的捕捉能力,对边界层的分辨精度也很高,并具有很好的收敛性（含有强激波流场计算,其均方根残差可以收敛到机器零）,尤其是在网格设计合理的情况下能抑制TVD和ENO格式均无法克服的涡量场的非物理波动.     

高精度格式WCNS-E-5计算物面热流

采用加权紧致非线性格式WCNS-E-5,四阶精度的二阶导数差分近似以及四阶精度的边界格式构造了高精度算法,对高超声速粘性流动的物面热流进行数值研究.首先考察了壁面网格雷诺数对驻点热流的影响,然后开展了边界格式对热流计算结果影响的研究,最后对大攻角钝锥绕流进行了数值模拟.研究结果表明:WCNS-E-5能降低边界层内网格分辨率,全场高精度的WCNS-E-5计算得到的流场图像清晰、真实、分辨率高,热流值准确、可靠.     

计算流体力学中的验证与确认

计算流体力学(CFD)在航空航天等诸多领域的应用越来越广泛.特别是近年来, CFD在实际飞行器的设计中扮演着越来越重要的角色, 许多设计参数直接来源于CFD的计算结果.由此, 飞行器设计师对CFD提供结果的可信度提出了更高的要求.验证(verification)与确认(validation)是评价数值解精度和可信度的主要手段.本文综述了国内外开展CFD验证与确认研究的进展.在引言中论述了开展CFD验证与确认的重要性和必要性, 简述了国内外CFD验证与确认研究的历史和发展现状.第2节中讨论了CFD验证与确认的一些基本概念,以及这些概念定义的形成过程, 并指出了进行CFD验证与确认的基本步骤.第3节和第4节分别讨论了CFD验证与确认的方法, 如CFD验证中的精确解比较方法, 制造解比较方法, 网格收敛性研究;CFD确认中的层次结构, 流动分类法, 确认实验指南.在第5节中我们列举了几个CFD验证与确认的应用实例.最后, 对我国开展CFD验证与确认研究工作提出了若干建议, 包括:(1)开展流动分类法研究,(2)推行软件质量工程方法,(3)开展规范精细的实验, 建立国内的网络数据库.