基于图像八叉树的三维比例边界有限元多面体网格生成算法

基于图像八叉树方法,提出了平衡八叉树和多面体网格修剪相结合的三维比例边界有限元多面体网格算法,该算法根据结构尺寸建立恰好完全包含整个结构的立方体网格,再建立结构图像像素信息,根据像素信息,按照2∶1的平衡分割原则递归地进行等分,完成平衡八叉树网格生成。结构内单元网格完全保留,结构外单元网格删除,对于结构边界单元网格,提出采用面-立方体相交判断方法进行边界单元与结构边界相交面的筛选,搜寻结构单元与结构边界表面相交点,通过有序连接相交点形成边界单元切割面,再结合边界单元其他几个面,构成裁剪后的多面体单元。数值算例结果表明,基于本文算法生成的比例边界有限元网格计算结果具有较好的精度和边界适应性。

基于多面体网格复杂外形ROV阻力CFD计算

以某复杂外形ROV为研究对象,建立了ROV的水动力计算模型,基于CFD数值计算基本方法和多面体网格技术,搭建了三维数值水池,采用Coupled Implicit方法求解N-S方程,完成了复杂外形ROV阻力的数值计算。结果表明:论文采用的计算方法能够真实地反映ROV的阻力性能。在航速3Kn时,该ROV沿X方向直航和沿Y方向横移的阻力值均保持在35kg以内,论文的计算值可为ROV推进器的选型和动力推进系统的设计提供参考。

多面体网格在船体绕流计算中的应用

为了验证多面体网格在船体绕流、特别是存在自由面的高速船体绕流计算中的有效性,将多面体网格应用于动网格中,基于多面体网格对DARPA Suboff潜艇进行了数值计算;基于混合网格和动区域法对一种高速单体穿浪船进行了数值计算,并将数值计算结果同水池实验结果进行了对比.研究表明:同四面体网格相比,多面体网格能有效减少非结构网格的单元数量,并能用更少的网格单元获取相似甚至更好的计算结果;多面体网格在潜艇绕流计算上的应用效果非常好;结合Robust(Octree)网格生成方法可改善多面体网格的正交性和分层性,进而能够更好地捕捉波形和飞溅;混合网格结合动区域法可以将多面体网格应用于包含船体运动的数值计算.

多面体网格在CFD中的应用

介绍了多面体网格技术在计算流体力学(CFD)中的应用。考虑到粘性计算的需要,将混合网格技术引入多面体网格中,发展了一套多面体网格生成及求解技术,并用于M6机翼、DLR-F6复杂外形的气动特性模拟中。计算结果表明,多面体网格技术具有准确度较高、效率较高及适用性广等优点。

多面体网格在离心泵内部流动数值模拟中的应用

针对非结构四面体网格在离心泵内部流动数值模拟中计算效率和离散精度方面的技术缺陷,采用聚合式多重网格方法生成的多面体网格及非结构四面体网格建立XA65/20型单级单吸离心泵内部流场的数值模型,利用Ansys Fluent 13.0对设计工况及多个非设计工况下离心泵内部流场进行了数值计算,得到其内部流场的静压、速度以及湍动能分布情况,并对其内部流动状态进行分析.在数值计算的基础之上,对样机进行了性能试验,预估泵的扬程及效率并与试验值进行对比分析.数值模拟结果表明:多面体网格收敛速度较快、残差曲线更为光顺、占用计算机内存较少,得到静压、湍动能分布更为均匀.模拟计算结果与试验数值的对比验证了多面体网格模拟计算值的可行性与准确性.从网格设置时间、计算成本、数值耗散3个角度分析,多面体网格能较好地应用在离心泵内部流动数值模拟中.

基于任意多面体网格的Navier-Stokes方程并行求解器

发展了一种基于任意多面体网格的Navier-Stokes(NS)方程并行求解器,基于积分守恒形式NS方程组,发展了支持任意多面体网格的中心有限体积方法。采用基于面的连接关系,对不同拓扑类型的网格[如结构网格、非结构混合网格、多面体网格及剪切六面体(TRIMMER)网格]进行统一处理。对于无黏通量空间离散格式采用HLLEW(Harten-Lax-Van Leer-Einfeldt-Wada)格式,湍流模型采用k-ω两方程模型,时间推进采用适合并行计算的DP-LUR(data-parallel lower-upper relaxation)格式的隐式算法。对RAE2822翼型和ONERA M6机翼的结构网格、混合网格、多面体网格及TRIMMER网格进行了对比验证,结果表明发展的求解器具有较好的网格普适性,在不同拓扑类型的网格上均能求得较为接近实验值的结果;对多面体网格测试了加速比和并行效率,并行计算大大提高了计算效率。证明了求解器具有宽广的网格适应性,能够较为稳定、快速、准确地模拟定常绕流问题。

基于多面体网格剖分的油浸式变压器三维温度场及油流场仿真

考虑到结构网格与非结构网格在变压器内部温度场及油流场数值模拟中计算效率和计算精度方面的技术缺陷,对一台单相试验变压器三维模型进行多面体网格剖分,完成了不同负载系数下变压器内部温度场及油流场的仿真计算。此外,为验证仿真模型,对试验变压器进行了温升试验。研究结果表明：在相同的基准尺寸下,与非结构四面体网格相比,多面体网格能大大减少网格单元数量,仅为四面体网格数量的1/3,在计算达到收敛时所需时间为四面体网格的1/9,所占用计算机内存为四面体网格的1/2,且得到的温度场与油流场分布较好;数值计算值与现场测量值的对比验证了多面体网格在变压器内部温度场及油流场数值模拟应用中的有效性与准确性,为以后大型变压器的三维数值计算与网格处理提供了新的思路与参考。

基于多面体网格的离心泵性能预测分析

多面体网格具有计算网格数量少、精度高、收敛速度快等优势,但在离心泵性能预测分析方面应用较少。以一台实际运行的低比转速离心泵为研究对象,建立离心泵内部流场模拟的三维数学模型,划分多面体网格,计算其扬程和效率,并预测其性能。通过与试验值进行对比分析,验证了采用多面体网格预测离心泵性能的可行性与准确度。研究表明,在设计工况下,选用SSTk-ω湍流模型计算的结果与试验值更接近,具有更好的适应性;采用多面体网格划分预测水泵性能曲线与试验值有较好的一致性,但在小流量工况下数值模拟偏差较大,需尽可能的消除蜗壳出口回流,提高数值模拟的精度。

多面体网格在滑行艇数值仿真计算中的应用

通过对NACA滑行楔形体进行数值仿真计算,验证多面体网格在滑行艇数值仿真计算上的精度,并尝试使用多面体网格改善滑行艇数值仿真计算中遇到的伪扩散问题。计算结果表明,基于多面体网格的滑行艇数值仿真计算的精度很高,能够满足工程需要;能够改善滑行艇仿真计算中遇到的伪扩散问题。本文进一步扩展了多面体网格在船舶与海洋工程领域的应用范围,并为滑行艇的数值仿真计算提供有益参考。

OpenFoam中多面体网格生成的MPI+OpenMP混合并行方法

网格生成是计算流体力学中非常重要的一环,大规模数值模拟过程中对网格精度要求的提高会导致网格生成所耗的时间增加.文中基于OpenFoam开源软件中的网格生成算法,主要研究多面体网格的并行生成,并提出OpenMP和MPI混合并行的多面体网格生成方法.通过理论分析得到,使用混合并行方法生成相同质量的网格时,混合并行方法生成网格的时间消耗随着线程数量和网格单元数量的增加而减少.3组使用不同求解器的数值模拟实验结果表明,该混合并行方法不但可以保证生成网格的质量---可以正常进行数值计算模拟且模拟结果与原方法相比几乎没有差别,而且生成同样质量与数量网格的耗时最多可以缩短至未使用OpenMP并行方法之耗时的1/4以内.

多面体网格在推力矢量燃气舵气动特性计算中的应用

为考察多面体网格在燃气舵气动特性计算中的有效性,将多面体网格技术应用于推力矢量燃气舵的流场仿真计算中。计算了由多面体网格建立多个三维模型的气动特性,包括燃气舵单舵在不同舵偏角下的气动特性,以及4片舵片同时存在时的气动特性。将由多面体网格计算得到的气动数据与四面体网格计算得到的气动数据进行对比,结果表明,虽然由四面体网格转换得到的多面体网格对燃气舵周围的激波捕捉能力略逊色于四面体网格,但却能够大幅度减少网格数量,能用更少的网格数量、更少的计算机内存和更短的计算时长得到几近相同精度的计算结果。

基于多面体重叠网格的多体分离计算分析

分离问题在航空航天领域频繁出现,对各类运载火箭、飞行器等完成任务使命至关重要,并事关主体/分离体的安全。基于带边界层加密的多面体网格、重叠网格和刚体六自由度运动方程,利用CFD数值模拟方法,对某标模外形开展了多体分离数值模拟,研究了不同初始弹射力对多体分离安全性的影响,从纵向和横航向两方面分析了标模的分离特性及与弹射力的关系,对工程研究有一定的参考作用。

多面体与切割体网格对高超声速空天飞机气动力计算精度的影响研究

采用多面体网格、切割体网格和四面体网格对空天飞机模型进行数值模拟,将模拟获得的气动力数据与试验值进行对比分析,通过计算误差来对比研究不同网格模拟的高超声速飞行器气动力计算精度。数值模拟结果表明,各工况下3种网格都能较准确地模拟空天飞机的气动力特性。其中,多面体网格对气动力的计算精度最高,计算得到的气动力系数值误差最小;而四面体网格计算得到的气动力系数值误差最大。但在部分工况下,通过四面体网格模拟得到的升、阻力系数相对于试验值的误差倍数相当,使得计算得到的升阻比更接近试验值。此外,通过与试验纹影图对比,3种网格都能较为准确地模拟空天飞机模型的流场结构。然而,多面体网格和切割体网格对激波的分辨能力要强于四面体网格。随着攻角的增大,通过多面体网格模拟得到的激波分辨能力更强,而切割体网格对激波内部流场的捕捉更为准确。

三维多面体网格上扩散方程的保正格式

针对三维任意(星形)多面体网格,本文构造了扩散方程的一种单元中心型非线性有限体积格式,证明了该格式具有保正性.在该格式设计中,除引入网格中心量外,还引入网格节点量和网格面中心量作为中间未知量,它们将用网格中心未知量线性组合表示,使得格式仅有网格中心未知量作为基本未知量.在节点量计算中,利用网格面上的调和平均点,设计了一种适用于三维多面体网格的局部显式加权方法.该格式适用于求解非平面的网格表面和间断扩散系数的问题.数值例子验证了它对光滑解具有二阶精度和保正性.

多面体网格在静气动弹性计算中的应用

介绍了多面体网格技术在静气动弹性问题中的应用。基于M6算例和径向基函数插值法,探究了多面体网格的CFD计算效率和变形能力,使用AGARD445.6机翼进行了静气动弹性数值计算。结果表明,多面体网格具有计算效率高、变形能力强、计算结果准确等优点,可适用于静气动弹性问题的数值计算。

任意多面体网格上的欧拉方程数值算法

发展并验证了一种新的支持多面体网格的欧拉方程离散算法,采用Fortran 95编写了支持任意网格拓扑及三维复杂外形的通用求解器。在空间离散上,基于径向基函数理论提出了一种新的梯度计算方法,并采用动能通量分裂格式来得到准确并且稳定的二阶精度重构。该方法不依赖于网格几何形状,因此对网格质量不敏感。由于在时间方向采用了点隐松弛推进方法,使得该求解器在大时间步长上仍能保持稳定性。最后通过若干数值算例对本文所发展的算法进行了验证,证明了本文的算法及求解器具有稳定、准确的特性及宽广的网格类型适应性。

一种任意多面体网格的三维VOF界面重构算法

针对任意多面体网格的三维流体体积方法(VOF)提出了一种界面重构算法。算法引入了一种新的多面体数据结构,在此基础上提出了一种针对任意凸多面体的切割算法。本文利用牛顿迭代法同时结合多面体几何特性,实现了任意三维网格中的VOF界面重构。数值计算实验表明,算法能适用于不同类型的多面体,并具有较高的收敛效率。最终算法在非结构化网格中成功实现了球形界面的VOF界面重构。

网格类型对流场计算效率和收敛性的影响

针对不同非结构网格类型对流场计算效率和收敛性的影响,在相同面网格尺寸和相同体网格单元数的前提下,比较分析了四面体、六面体和多面体网格剖分方法在CFD计算中计算效率和收敛性上的差异。结果表明:当面网格尺寸相同时,六面体网格的收敛性最好,同时计算所用时间和占用内存都最少,多面体网格收敛最快,计算效率上略低于六面体网格,四面体网格的计算效率和收敛精度最低;当体网格单元数相同时,六面体网格的收敛精度最高,四面体网格的稳定性好,多面体网格在与四面体网格收敛速度基本相当的同时,收敛精度更高,且收敛过程也比较平稳。综合比较,多面体网格在应用广度上优于另外2种网格。

一种三维Poisson-Nernst-Planck方程的虚单元计算

利用虚单元方法在多面体网格上求解一种三维稳态Poisson-Nernst-Planck(PNP)方程,并给出PNP方程的虚单元离散形式,推导电势方程及离子浓度方程的刚度矩阵与荷载向量的矩阵表达式.数值实验结果表明,在3种不同的多面体网格下实现了PNP方程的虚单元计算,数值解在L^(2)和H^(1)范数下均达到最优阶.

一种基于点云数据的复杂地形CFD网格生成方法

针对CFD网格生成中地形数据精确度不高的问题,提出一种基于点云数据的复杂地形CFD网格生成方法.该方法引入七参数求解方法生成地方坐标点云文件,采用点—线—面—体方式生成地形网格,并基于多面体网格转换方法进行网格优化.实例验证结果表明,生成的地形网格与实际地形吻合度高、数据精确度高,适合用于后期的CFD精细模拟应用.