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.     

尺度无关高阶WCNS格式

高速流场的数值模拟中, 既要保证对小尺度结构的高保真分辨, 又要实现对激波稳定、无振荡地捕捉.当前工程中广泛应用的高精度数值格式虽然都能一定程度地满足上述两种要求, 但仍与理想目标存在较大差距.例如, 模拟雷诺应力模型等小尺度问题时, 高精度格式在间断解附近易产生数值振荡.基于高精度格式所存在的上述问题, 本文引入去尺度函数, 探索了一种更加简单稳定的非线性权重构造方法, 并将其应用于7阶精度加权紧致非线性格式WCNS, 提出了一种尺度无关的7阶WCNS格式.该格式的性能与灵敏度参数和尺度因子的选择无关, 并且在小尺度下仍可以有效捕捉流场激波.同时, 该格式在间断处具有基本无振荡性质, 且在任意尺度函数下保持尺度无关, 并且在极值点处也能保持最优精度.本文还推导了7阶D权函数的形式.最后, 在一维线性对流方程中验证了新格式在流场光滑区能够达到设计精度, 并通过一系列数值实验证明了尺度无关的7阶WCNS格式在激波捕捉能力上具有良好表现, 为WCNS格式改进和解决可压缩湍流等非线性问题提供了一种新途径.