基于自适应混合网格的高马赫数空腔流动模拟

空腔流动尤其是高马赫数(Ma>2)空腔流动,存在强激波、强剪切和分离涡,及其相互之间的干扰,流动复杂,网格分布及网格生成的质量对模拟结果影响很大。将建立的基于非结构混合网格的自适应探测器,应用到高马赫数空腔流动数值模拟中,通过空腔标模算例考核,验证了采用网格自适应技术可以更好地模拟存在大分离和强剪切的高马赫数空腔流动。开展了马赫数、雷诺数等流动参数对空腔流动特性影响的研究,随马赫数增大空腔内动压急剧升高,自由流和剪切层对后壁面的冲击效应明显增强,压力分布的不均匀程度提高,后壁面上的压力峰值均逐渐增大。雷诺数增大会使后壁面处的压力峰值增大,并且高马赫数条件相比于低马赫数条件下雷诺数对腔内压力分布的影响更显著。

八叉树网格到非结构混合网格的转换

在数值模拟中,非结构网格的优势是可以采用相同的数值格式统一处理任意复杂的计算区域,但在网格生成过程中难度大,并且不容易控制网格质量。树结构网格可以认为是介于结构网格和非结构网格之间的一种网格,目前已经有相对成熟的方法快速在复杂区域内生成二维四叉树网格和三维八叉树网格。在实际应用中,数值方法往往需要在连接协调的非结构网格上做离散,树结构网格中不同尺寸的网格之间连接不是协调的,在应用上会受到很多限制。文章实现了树结构网格到非结构混合网格的转换,这种转换在二维情况下就是将四叉树网格转换为非结构三角形和四边形的混合网格,三维情况下则将八叉树网格转换为非结构混合网格。这一转换过程的难点在于需要考虑数千种不同的八叉树单元,并给出能实现连接协调的非结构混合网格划分。可以出现的网格单元包括六面体、三棱柱、金字塔和四面体这4种不同情况。通过特别的分类,实现了程序的自动生成,这种程序自动生成技术一方面可以避免人工编写大量程序时的失误,另一方面也使得对数以千计的不同情况的处理成为可能。通过对几个简单网格的测试,对网格数据转换方法做了初步的验证。

基于多块混合网格的RANS方法预报螺旋桨敞水性能的研究

结合RANS方程和RNG k-ε湍流模型,运用结构化-非结构化多块混合计算网格对螺旋桨敞水性能进行了预报,并将预报所得的敞水性能及尾流场与桨模的试验值进行了比较。结果表明,该文所用方法对不同叶数、不同侧斜度的螺旋桨模型敞水性能的预报具有很高的可信度,该方法对螺旋桨尾流场的预报也能与试验值基本符合,能达到工程应用要求的精度。

基于Delaunay背景网格插值和局部网格重构的变形体动态混合网格生成技术

建立了一种基于Delaunay背景网格插值方法和局部网格重构方法相结合的变形体动态混合网格生成方法。首先利用作者发展的定态混合网格生成技术生成变形体初始网格,即变形体附近利用结构化的四边形网格,外场采用自适应Cartesian网格,中间由三角形网格过渡。当物体运动或变形时,首先利用Liu和Qin提出的基于Delaunay背景网格的插值方法对变形体附近的网格进行变形;当物体运动或变形位移很大导致局部网格质量急剧下降、甚至网格相交时,则在局部重新生成网格。利用该方法生成了多种变形体外形的动态混合网格,如单个鱼体、双鱼串列巡游,昆虫单翼、双翼扑动,多段翼型变形等,并在鱼体巡游的非定常数值模拟中得到了应用。

基于非结构/混合网格的高阶精度格式研究进展

尽管以二阶精度格式为基础的计算流体力学(CFD)方法和软件已经在航空航天飞行器设计中发挥了重要的作用,但是由于二阶精度格式的耗散和色散较大,对于湍流、分离等多尺度流动现象的模拟,现有成熟的CFD软件仍难以给出满意的结果,为此CFD工作者发展了众多的高阶精度计算格式.如果以适应的计算网格来分类,一般可以分为基于结构网格的有限差分格式、基于非结构/混合网格的有限体积法和有限元方法,以及各种类型的混合方法.由于非结构/混合网格具有良好的几何适应性,基于非结构/混合网格的高阶精度格式近年来备受关注.本文综述了近年来基于非结构/混合网格的高阶精度格式研究进展,重点介绍了空间离散方法,主要包括k-Exact和ENO/WENO等有限体积方法,间断伽辽金(DG)有限元方法,有限谱体积(SV)和有限谱差分(SD)方法,以及近来发展的各种DG/FV混合算法和将各种方法统一在一个框架内的CPR(correction procedure via reconstruction)方法等.随后简要介绍了高阶精度格式应用于复杂外形流动数值模拟的一些需要关注的问题,包括曲边界的处理方法、间断侦测和限制器、各种加速收敛技术等.在综述过程中,介绍了各种方法的优势与不足,其间介绍了作者发展的基于"静动态混合重构"的DG/FV混合算法.最后展望了基于非结构/混合网格的高阶精度格式的未来发展趋势及应用前景.

适应复杂外形的三维粘性混合网格生成算法

提出一类适应复杂外形的粘性混合网格生成算法。表面网格由前沿推进三角形曲面网格程序获得,边界层布置各向异性的三棱柱体网格,远物面区域采用Delaunay方法生成四面体网格。针对模型的复杂几何特征,综合采用了各种网格处理技术,以保证边界层网格的质量,并避免算法失效问题。网格实例及计算结果表明了本文算法的实用性及和效性。

混合网格方法在栅格翼数值模拟中的应用研究

栅格翼是采用一种蜂房结构设计的升力面和控制面,和传统舵面相比具有铰链力矩小、能在较大攻角下保持升力等特点,并得到了越来越广泛的应用。由于栅格尾翼的特殊结构,网格生成具有很大的难度。本文采用了结构、非结构混合网格的办法,在弹体和栅格翼的物面附近区域,生成适合粘性计算的大长宽比的结构网格,弹体网格和栅格翼网格之间采用非结构网格进行填充,满足非结构网格和结构网格交接面的完全对接。本文基于结构/非结构网格体系采用有限体积方法求解NS方程,对不同舵偏角下的栅格翼构形进行了数值模拟,并通过实验结果对数值方法进行了验证。

一种基于径向基函数的非结构混合网格变形技术

网格变形技术被广泛运用于气动外形优化设计或气动弹性力学仿真之中。非结构混合网格由于拓扑结构比较复杂,其网格变形的难度较大。本章发展了一套基于径向基函数的非结构混合网格变形技术。其基本原理是运用径向基函数对物面边界网格节点的位移进行插值,然后利用构造出来的径向基函数插值序列将物面的位移效应光滑地分散到整个网格区域的节点上。为了提高网格变形效率,需要在物面位移的径向基函数插值过程中进行数据精简,为此,文中提出了一种基于贪心法逐级选择径向基函数空间子集来实现插值逼近的数据精简算法。选择NACA0012翼型和三维LANN机翼的非结构混合网格的典型变形问题作为数值算例,对该方法的实用性进行了验证。计算结果表明该方法具备较高的计算效率,对大尺度变形问题的适应性很好,变形后计算网格的质量仍然可以得到有效地保证。

三维波动方程时空域混合网格有限差分数值模拟方法

常规高阶和时空域高阶有限差分方法广泛应用于三维标量波动方程的数值模拟,这两种差分方法仅利用笛卡尔坐标系中的坐标轴网格点构建三维Laplace差分算子,相应的差分离散波动方程本质上仅具有2阶差分精度,模拟精度低.本文将三维笛卡尔坐标系中非坐标轴网格点分为两类:坐标平面内的非坐标轴网格点和坐标平面外的非坐标轴网格点,系统推导出了两类非坐标轴网格点构建三维Laplace差分算子的方法,进而提出了一种利用坐标轴网格点和非坐标轴网格点共同构建三维Laplace差分算子的混合网格有限差分方法,并利用时空域频散关系和泰勒展开建立差分系数方程,推导出了差分系数的通解.相比常规高阶和时空域高阶差分格式的2阶差分精度,时空域混合网格差分离散波动方程理论上能够达到任意偶数阶差分精度,模拟精度显著提高,同时稳定性更强.频散分析表明:相比常规高阶和时空域高阶差分格式,在计算效率基本相同时,时空域混合网格差分格式能更有效地减小数值频散,减弱数值各向异性,模拟精度更高;在模拟精度基本相当时,混合网格差分格式能采用更大的时间采样间隔,计算效率更高.数值模拟实例进一步验证了混合网格差分格式在提高模拟精度和计算效率方面的先进性,也验证了其普遍适用性.

预处理法求解定常/非定常混合网格的全速流场

运用时间导数预处理法在混合网格上求解三维定常/非定常N-S方程。预处理后的N-S方程,用二阶迎风格式的有限体积法离散,隐式、LU-SGS迭代求解,双时间步推进求解非定常流。本文以一维预处理欧拉方程为基础进行分析,提出了一种特征变量的边界条件以适应预处理后的特征系统。从极低速到跨声速范围的众多算例表明,本文的边界条件处理稳定有效,预处理法在各种速度下都具备同样快速的收敛性,在较宽的使用范围内均能得到理想的计算结果。

复杂外形的动态混合网格生成方法

本文将层推进方法、四分树方法和阵面推进法相结合,建立了二维复杂外形的动态混合网格生成方法。首先用层推进方法在运动物体附近生成贴体的四边形网格,然后用四分树方法在外场生成自适应的矩形网格,而中间由三角形网格过渡。三角形网格由阵面推进法生成,并由节点松弛和"对角线交换"方法进行优化。当物体运动时,贴体的四边形网格随物体运动而运动,而外场的矩形网格保持静止。中间过渡层的三角形网格随物体运动而变形。当物体运动位移较大导致出现质量较差的单元甚至导致网格相交时,则在局部重新生成网格。利用上述动态混合网格生成方法,生成了多种含相对运动的复杂外形的动态混合网格,网格质量令人满意。

基于非结构/混合网格的高阶精度DG/FV混合方法研究进展

DG／FV 混合方法因其具有紧致、易于推广获得高阶格式及相比同阶精度 DG 方法计算量、存储量小等优点，自提出以来已成功应用于一维、二维标量方程和 Euler／N-S 方程的求解。综述了 DG／FV 混合方法的研究进展，重点介绍了 DG／FV 混合方法的空间重构算法、针对 RANS 方程的求解方法、隐式时间离散格式、数值色散耗散及稳定性分析、计算量理论分析，并给出了系列粘性流算例的计算结果，包括用于验证混合方法数值精度的库埃特流，以及方腔流、亚声速剪切层、低速平板湍流、NACA0012翼型湍流绕流等。数值计算结果表明 DG／FV 混合方法达到了设计的精度阶，且相比同阶 DG 方法计算量减少约40％，而隐式方法能大幅提高定常流的收敛历程，较显式 Runge-Kutta 的收敛速度提高1～2个量级。

基于非结构混合网格的CHN-T1标模气动特性预测

本文使用自行研制的基于非结构混合网格的亚跨超声速流场解算器MFlow,对AeCW-1提供的客机标模CHN-T1进行了数值模拟研究。介绍了非结构混合网格的生成情况,重点分析了网格收敛特性、压力分布、气动特性曲线、流动分离等。计算得到了近似线性的网格收敛特性。随着网格加密,对激波和分离气泡的模拟更精细。尾支撑对气动特性的影响非常明显,特别是对平尾气动特性有很大影响。机翼静气动弹性变形的影响主要是使升力系数和阻力系数减小。湍流模型的QCR修正对大迎角计算结果有较大的影响。计算结果表明,MFlow程序能够准确地预测客机标模的气动特性。

基于动态混合网格的多体分离数值模拟方法

在以往发展的动态混合网格技术的基础上,耦合六自由度运动方程计算和非定常流场计算,建立了一种多体分离问题的非定常数值模拟方法。首先采用刚体运动的六自由度运动方程,建立刚体运动轨迹计算模块,然后以该模块为纽带将以往建立的非定常计算方法与改进的基于Delaunay背景网格插值方法和局部网格重构方法相结合的动态混合网格生成方法耦合起来,形成了精度较高、效率较快的多体分离数值模拟方法。利用该方法对典型多体分离问题进行了数值模拟,计算结果与风洞实验结果吻合较好。

起伏地表地震波旅行时混合网格线性插值射线追踪计算方法

为了提高在起伏地表和复杂构造条件下地震波旅行时的计算精度和效率,对完全矩形网格剖分的旅行时线性插值(LTI)方法进行了改进,提出用矩形网和不规则四边形网相结合的方法离散速度模型,对适用于矩形网格的局部旅行时计算公式进一步推导,得到适用于混合网格的局部旅行时计算公式,并证明了该公式可稳定求解。结合分区多步计算技术将该方法扩展为基于混合网格的分区多步LTI方法。数值计算结果表明,该方法不但可以灵活地处理剧烈起伏的地表和构造复杂的速度界面,而且旅行时和射线路径的计算结果能保持较高的精度。

混合网格化学非平衡绕流通量分裂格式及并行算法

讨论了非结构混合网格上的二阶VanLeer逆风矢通量分裂格式,并将其应用于三维高超声速化学非平衡粘性流场的并行计算.高超声速绕流的复杂性要求对N-S方程求解的数值模拟方法应具有较高的计算精度及效率.我们针对混合网格上的有限体积格心格式,引入辅助点方法建立了具有空间二阶精度的VanLeer逆风矢通量分裂格式,提高了数值格式的模拟精度,并采用分布式并行化计算技术用以提高计算效率.粘性通量的计算采用中心格式,化学非平衡动力学模型为7组元空气反应模型,采用考虑了化学反应特征时间的当地时间步长显式Runge-Kutta时间推进格式.对三维双椭球外形的高超声速粘性流场进行了并行计算,获得满意的结果.

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。

基于混合网格Navier-Stokes方程的并行隐式计算方法研究

针对结构网格很难处理复杂外形和非结构网格无法计算具有边界层的粘性流动的缺点,发展了基于混合网格格点的隐式算法,成功地解决了在工程应用中难于处理的复杂外形粘性流场计算和效率问题。同时针对大规模的工程问题,发展了基于MPI通信技术的染色分层通讯并行计算方法。其中空间离散采用基于Roe格式发展的三阶迎风HLLEW(Harten-Lax-Van Leer-Einfeldt-Wada)或AUSM格式,湍流模型采用k??两方程湍流模型,时间推进考虑到LU-SGS并行等效较困难则采用基于DP-LUR(Data-Parallel Lower-Upper Relaxation)格式的隐式算法,计算CFL数可取到105量级,从2个到128个CPU的并行加速效率都保持在90%以上,大大提高了计算效率。算例对标模M6机翼模型流场进行计算,验证了方法的可靠性;然后对标模DLR-F6翼身组合体进行混合网格粘性与无粘计算结果进行比较,进一步验证混合网格方法;最后计算了DLR-WBNP外挂发动机翼身组合体模型,准确模拟了外挂和超临界机翼的相互干扰流动问题,采用4 CPU 16 CORE到24 CPU 96 CORE,2000步计算时间都不超过3小时。为民机跨声速气动弹性分析的计算效率提升提供了基本的数值模拟工具。

基于“各向异性”四面体网格聚合的复杂外形混合网格生成方法

复杂外形粘性流动的计算网格生成一直是阻碍CFD实际工程应用的瓶颈问题之一,虽然三棱柱/四面体混合网格的出现极大地缓解了这一问题,但是在飞行器几何外形非常复杂的情况下,在粘性边界层内生成高质量的贴体三棱柱网格仍然是非常困难的事情。本文从"各向异性"四面体网格的生成算法中得到启示,发展了一种基于"各向异性"四面体网格聚合的混合网格生成方法。通过对DLR-F6翼身组合体和F16战斗机外形的混合网格生成及数值模拟表明,该方法生成的混合网格具有网格质量好、自动化程度高等特点,对提高复杂外形飞行器关键气动参数的模拟精度具有重要意义。

三维非结构混合网格生成与N-S方程求解

提出了一套较为通用的,完全自动化的非结构混合网格生成方法,在物面粘性作用区,运用一种改进的推进层方法生成三棱柱形和金字塔形网格;在其他流动区域采用阵面推进方法生成四面体网格。采用一种改进精度的格心有限体积法和Spalart Allmaras一方程湍流模型对三维N S方程进行了求解,并以M6机翼、DLR F4翼身组合体和某运输机外形的粘性流场作为数值算例,验证了上述网格生成和流场求解方法的正确性和实用性。