WENO格式与虚拟单元浸入边界法在笛卡尔网格中的应用

高精度有限差分WENO格式在结构网格上处理具有复杂几何外形绕流问题时较困难,而虚拟单元浸入边界法却是一种较新颖且对网格的要求较低的方法,适用于复杂几何外形边界的处理.为此,在笛卡尔网格上采用WENO格式以求解Euler守恒律方程,试图将两者有效结合起来,希望能在笛卡尔网格上处理具有复杂几何外形的物体绕流问题.最后,几个经典数值算例的结果验证了该方法的有效性.     

非结构网格上双曲守恒律的并行算法研究

针对Euler方程的求解问题,在分布式存储环境下,提出一种适合于非结构网格上的并行算法。采用区域分解算法,适当处理网格,使每台处理器保持负载平衡。采用GMRES隐式时间离散格式、当地时间步长等加速收敛方法,通过对绕NACA0012翼型、ONERA M6机翼以及DLR-F6翼身组合体无黏流动数值模拟,验证了该方法具有较高的加速比和并行效率,适合在MIMD模式下进行大粒度科学计算。     

基于Ghost Cell方法的MWENO格式Euler方程求解

采用一种高精度MWENO（muhi—weighted essentially non-oscillatory）格式在结构网格上求解可压缩Euler方程。该格式在处理具有复杂几何外形绕流问题时遇到较大困难,而虚拟单元方法却是一种较新颖且对网格的要求较低的方法,适用于此种情况下的边界处理。将两者有效结合起来试图在笛卡尔网格上处理具有复杂几何外形的物体绕流问题。数个经典数值算例的结果表明所提出的方法切实可行。     

直角网格壁函数的二维高雷诺数机翼绕流计算

针对传统直角网格方法无法准确计算高雷诺数下近壁面区域的流场及剪切应力问题，本文基于自主开发的二维直角网格CFD求解器，采用添加壁面函数的方式模拟了高雷诺数下的机翼绕流。数值模型基于直角网格有限差分方法对N-S方程进行离散，整体求解器的精度在空间和时间上分别达到二阶。通过对低雷诺数下圆柱绕流及机翼绕流的模拟计算，验证了此求解器的精度和可靠性。在高雷诺数下利用壁面函数修正近壁面的速度剖面，使近壁面区域的速度分布更符合实际流动。研究结果表明：本文方法能够有效求解二维高雷诺数机翼绕流问题。同时利用商业计算流体力学软件Star-CCM+采用贴体网格对同样问题进行模拟，数值模拟结果表明本文方法的网格需求要大于贴体网格。     

悬停状态旋翼桨尖涡IDDES方法数值模拟研究

开发了一套适用于悬停状态旋翼桨尖涡高精度数值模拟研究的计算分析程序。采用五阶Roe-WENO格式来降低旋翼尾迹区域内的数值耗散。采用结构网格动态面搭接技术实现旋翼的旋转运动,同时该技术还解决了对流动关注区域进行网格加密引起远场网格数量剧增的问题。针对RANS方法对复杂湍流流动模拟能力不足的问题,对RANS/LES混合方法进行了研究,开发了基于IDDES方法的计算程序。首先以串列双圆柱绕流问题为算例,验证了所采用的IDDES方法和面搭接技术的可靠性。然后分别采用RANS方法和IDDES方法针对旋翼悬停状态流场进行了数值模拟对比分析,从旋翼桨尖涡的涡强度、涡核位置、涡核直径以及桨尖涡涡核附近气流速度型分布等方面对旋翼桨尖涡结构的细节特征进行了比较系统的分析。计算结果表明,在相同的网格分布下,IDDES方法计算得到的结果较RANS方法更为接近实验结果,同时IDDES的计算结果还捕捉到了与实际情况相符的细小蠕虫涡结构与桨尖涡的“涡对”等细节现象,有利于深入研究旋翼绕流机理及相关问题。     

Re=3 900圆柱绕流的三维大涡模拟

为研究亚临界雷诺数范围内圆柱绕流流场特性及三维大涡模拟方法的适用性,基于C++语言及有限体积法开发了三维非结构化网格的大涡模拟计算程序.采用新的高稳定性高精度二阶离散格式,及Smagorinsky亚格子模型对Re=3 900均匀来流条件下的圆柱绕流问题进行数值模拟,并统计获得了平均流场参数及湍流流场的详细结构特性.结果表明:采用本文的网格、计算步长和高稳定性二阶离散精度大涡模拟方法计算所得的湍流场一阶统计特性和二阶统计特性与实验值吻合很好.验证了大涡模拟程序在模拟亚临界雷诺数下圆柱绕流流场平均值及脉动值的合理性.     

非结构旋转动态嵌套网格技术及其应用

发展并改进了一套基于非结构网格的旋转动态嵌套网格方法,通过数值求解Navier-Stokes方程对二维/三维带旋转运动边界的非定常问题进行了数值模拟.将计算区域划分成包含旋转运动边界的运动区子域和覆盖其它静止边界的静止区子域,以人工边界和约束线(面)作为约束条件生成整体计算网格,进而根据设置的人工边界完成嵌套网格的建立.对翼型绕流、旋翼/机身干扰流场以及颤振激励系统绕流进行了验证计算,结果与实验值相一致,表明了文中方法能够有效地对带有旋转运动边界的非定常问题进行数值模拟.     

非结构混合网格下的三维舵面流动计算研究

运用非结构混合网格上N S方程的求解技术对三维舵面的粘性绕流进行了计算研究。在物面粘性作用区,运用改进的推进层方法生成三棱柱、金字塔和四面体型混合网格;在其它流动区域采用阵面推进方法生成四面体网格。采用基于重构中心格式的格心有限体积法和SPALART-A LLM ARAS一方程湍流模型对N S方程进行空间离散,运用通量线化假设和最大特征值方法进行雅可比矩阵分裂来实现隐式高斯-赛德尔时间迭代。以某带舵面偏转的机翼模型为数值算例,系统地计算和分析了迎角、舵偏角及马赫数对舵面气动特性和舵面流动分离的影响,并将计算得到的舵面铰链力矩与实验结果进行了对比验证。数值算例表明:该方法可以为三维舵面气动力和铰链力矩的计算与分析提供有效的数值工具。     

基于ANSYS的三维近不可压缩问题的有限元分析

有限元方法是数值求解三维弹性问题的一类重要的离散化方法.在实际工程中,有相当多的材料(如橡胶、塑料等)呈现出近不可压缩(泊松比ν→0.5)的性质,利用常规有限元进行求解时会出现体积闭锁(Locking)现象,需要采用某些特殊的方法.本文基于ANSYS平台系统研究了六面体网格剖分下高阶单元法、减缩积分法及基于u/p格式的混合高阶元法对求解混合边界条件的三维近不可压缩问题的有效性和鲁棒性(robustness).数值结果表明:这三种协调有限元法均能有效地克服三维弹性材料的Locking现象,其中混合高阶元法最为精确,计算所得位移值均随网格尺寸变小而稳定地收敛于理论解.     

基于投影浸入边界法的流固耦合计算模型

针对建立的刚体和流体相互作用的浸入边界法数学模型,借助求解不可压缩N-S方程组的分步投影方法的思想来求解基于浸入边界法的耦合系统方程.在空间离散上,对流项采用Quick格式,扩散项采用中心差分格式.时间推进采用显式欧拉法,固体对流体的作用力源项引入流体体积(VOF)方法中的体积比函数,通过龙贝格算法高效求解每个网格单元中浸入刚体所占的体积比.利用VC++编写投影浸入边界法的数值计算程序,并以单圆柱绕流为基准数值算例,通过与其他文献和实验结果的对比,验证了数值计算结果的准确性和可靠性,并进一步分析了不同雷诺数下圆柱绕流场的涡结构分布特征.     

翼型跨音速定常及非定常粘性绕流的数值模拟

发展了一种计算翼型跨音速定常及非定常粘性绕流的数值方法。采用ＬＵ分解隐式三阶迎风格式求解二维非定常可压ＮＳ方程组，紊流模型采用ＢａｌｄｗｉｎＬｏｍａｘ双层代数模型。计算网格采用相对翼型固定的贴体运动网格。数值模拟了ＮＡＣＡ００１２翼型的几种跨音速定常及非定常粘性绕流状态，计算结果同已有的实验数据吻合较好     

基于MRT-LBM大涡模拟的桥梁气动参数数值仿真

为有效模拟桥梁结构的高雷诺数绕流及拓展格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method,LBM）在桥梁抗风中的应用,将动态Smagorinsky亚格子涡黏性模型嵌入到多松弛时间格式的LBM中。在LBM中,亚格子涡黏性通过网格滤波和检验滤波两次滤波求得,网格滤波以LBM的格子网格为滤波尺度由LBM的局部非平衡矩直接完成,检验滤波在更大尺度上采用有限差分求解。利用亚格子涡黏性修正LBM的运动黏性,构造了一种可以模拟钝体高雷诺数绕流的LBM大涡模拟方法—MRT-LBM-DSM。采用MRT-LBM-DSM结合LBM的移动边界技术对苏通大桥主梁断面的静力三分力系数和气动导数进行了仿真计算。数值模拟结果证明MRT-LBM-DSM可以准确预测湍流流动,可以用于桥梁主梁断面的高雷诺数绕流仿真和计算主梁断面的气动参数。     

适用于中等水域波浪的高精度数值模型

为了较好地模拟中等水域的波浪传播变形,采用Copeland(1985)的双曲型缓坡方程,在非交错网格下建立数值模型.模型中时间导数项采用混合4阶Adams-Bashforth-Moulton格式,空间一阶导数采用5点4阶精度格式.利用模型模拟圆型浅滩和椭圆型浅滩上的波浪传播变形,数值再现了波浪传播中的变浅、折射、绕射以及反射等现象,将波浪发展稳定后的2个周期内的全场数值波面升高进行统计,可得计算域内所有点的均方波高值.比较实验中给出断面的波高与对应的数值波高,可见二者的吻合程度较好.这说明高精度格式可精确地应用于数值求解双曲型缓坡方程,其数值模拟效果合理.适用中等水域波浪场的实际模拟.     

微型扑翼绕流的N-S方程数值模拟

基于广义无限插值理论生成了适用于模拟微型扑翼粘性绕流的三维C-0型网格,应用有限体积法结合双时间推进技术求解了微型扑翼在低速、低雷诺数下的粘性绕流.控制方程采用预处理后的三维可压缩非定常N-S方程组,有效地克服了低速流动条件下求解常规可压缩N-S方程遇到的刚性问题.通过与参考文献结果的比较验证了文中方法的正确性,并研究了扑翼相关参数对其气动特性的影响.文中所得到结论对扑翼的气动设计具有指导意义.     

高阶间断Galerkin方法求解三维欧拉方程的研究

在三维非结构网格上,对高阶间断Galerkin方法求解定常三维欧拉方程进行研究.文中使用Roe格式通量函数计算网格单元边界上的数值通量;时间方向采用显式Runge-Kutta方法推进;并引入激波探测器和斜率限制器技术,成功地抑制流场解在间断处的数值振荡.对M6机翼跨音速无粘流场进行数值模拟,结果表明:计算结果和实验值吻...     

气-气混合器的三维流场数值模拟

应用RNG的k-ε双方程湍流模型,采用四面体和六面体混合网格,利用CFD技术对气体喷射流混合器内的三维不可压缩湍流流场进行了数值模拟,得到混合器内流场、湍动能、压降及混合浓度场的变化.数值计算表明混合相对均匀、压力降可满足工艺要求.     

气-气混合器的三维流场数值模拟

应用RNG的k-ε双方程湍流模型,采用四面体和六面体混合网格,利用CFD技术对气体喷射流混合器内的三维不可压缩湍流流场进行了数值模拟,得到混合器内流场、湍动能、压降及混合浓度场的变化．数值计算表明混合相对均匀、压力降可满足工艺要求．     

非结构网格迎风格式中的一种重构方法研究

研究了一种基于网格节点重构的二阶迎风格式在非结构网格无粘流场计算中的应用，提出了一种新的网格节点流场参数的重构方法。并通过ONERA M6机翼、带副翼的直机翼、翼身组合体以及翼身组合体带增升装置无粘绕流流动计算对该重构方法进行了验证。算例表明新方法可以在确保格式精度和不显著增加流场计算时间的前提下，明显改善迎风格式的稳定性、收敛性和鲁棒性，减小了网格质量对流场求解精度的影响，因此十分适合非结构网格计算复杂外形流场时使用。     

动力喷流效应混合方法数值模拟研究

从动力喷流效应精细化模拟需求出发,在k-ω SST湍流模型基础上建立了IDDES混合方法,采用了有限体积五阶WENO格式提高空间离散格式精度,开展了动力喷流效应混合方法数值模拟分析及应用研究。基于自由发展喷管流动和ARN2喷管算例,开展了动力喷流效应混合方法数值模拟验证分析,结果表明增加网格密度和提高空间离散格式可有效改善喷流速度分布预测结果,缩短喷管出口下游非物理流动稳定状态,瞬态流场结构更加清晰合理,湍流强度预测更加准确。在此基础上,针对较为实际的涡扇发动机模型,完成了动力喷流效应混合方法数值模拟分析,得到了内、外涵喷流和外界气流的相互干扰及掺混特征,得到了三维湍流结构特征。     

含层流分离泡的粘性绕流精确数值模拟方法研究

高精度CFD求解器是翼型设计的基础,而翼型流动转捩的准确预测是提高数值模拟精度的关键之一。eN方法是比较可靠的且可应用于翼型设计的转捩判断方法,但目前国内耦合eN转捩预测与二维雷诺平均N-S(RANS)方程求解器的研究仍需要通过求解层流边界层方程为转捩判断提供所需的边界层信息。这种方法不能处理含层流分离泡的流动。为解决上述问题,文章发展了一种直接求解RANS方程为转捩判断提供高精度的边界层解的方法,耦合基于线性稳定性理论的eN转捩判断方法实现了含层流分离泡流动的转捩点自动判断。采用文中方法对含层流分离泡的翼型绕流进行了数值模拟,转捩预测位置与实验值吻合较好,气动力计算精度得到了提高,验证了该方法的有效性。