ENO守恒插值(重映)方法及其在流体计算中的应用

在ENO(Essentially Non-oscillatory)守恒插值方法的基础上,分析和研究现今流体力学计算中涉及的几类网格技术:重叠网格技术、自适应加密技术和运动网格技术.基于ENO插值多项式构造的重映方法具有良好的守恒性,可以有效保证数据传递中物理量的总体守恒.提出该类守恒插值方法在以上几种网格技术中的一些应用前景,并给出一些数值算例.

一维高阶ENO格式的应用研究

构造了基本 ENO有限体积格式 ,在标量守恒系 ,矢量守恒系中研究了 ENO格式的具体应用 ,给出了矢量守恒系中基于特征分量的 ENO重构算法 ,通过采用 Roe平均通量差分分裂 ( Roe-FDS) ,有效地抑制了间断解附近的振荡。一维 Euler方程的数值模拟结果进一步表明 ENO格式具有较高的激波分辨率和较低的数值耗散 。

基于加权ENO的图像放大算法

F.Arandiga的图像自适应插值方法在图像边界区域使用了ENO方法进行插值。通过比较差商的绝对值的大小自适应地选择模板,尽量避免所选择的模板中包含间断,有效地抑制了Gibbs振荡,但仍有很多不足。为弥补ENO方法的缺点,提高插值方法的精确度,提出基于加权ENO的图像放大方法。基本思想是将图像的离散化形式看成图像在单元网格上的平均值,先判断每个单元中是否存在图像边界,在图像边界区域使用加权ENO方法插值图像,在光滑区域使用线性平均插值。该放大方法能得到比F.Arandiga的图像自适应插值方法更高阶的精度。

一维WENO格式及其在标量守恒方程数值计算中的应用

研究高阶精度加权本质无振荡(WENO)格式及其在标量守恒律方程中的应用.应用五阶WENO空间离散格式和三阶TVD Runger-kutta时间离散格式对一维标量守恒方程以及二维标量守恒方程进行了数值模拟.数值结果表明该格式具有高精度性和本质无振荡性.

守恒双曲方程一类本质非振荡(ENO)格式

用自适应Newton插值,结合自适应模型和重构思想去构造数值流通量,对时间采用Runge-Kutta型离散,得到一类不需“真正”插值和数值微分过程的ENO格式。该格式易于数值实现,数值试验表明,这类格式具有良好的计算结果。

一种径向基函数插值的ENO格式

将ENO格式和径向基函数插值相结合,提出了求解双曲型偏微分方程的径向基函数插值的ENO方法。该方法依据ENO思想建立自适应模板,在选定的模板上利用径向基函数进行逼近,能够很好地处理具有间断解的问题,消除间断点处数值振荡现象。以一维双曲型偏微分方程为例,对该方法进行了验证,并通过与多项式ENO格式比较,表明该方法更具有优势。

DEVELOPMENT AND APPLICATIONS OF WENO SCHEMES IN CONTINUUM PHYSICS

This paper briefly presents the general ideas of high order accurate weighted essentially non oscillatory (WENO) schemes, and describes the similarities and differences of the two classes of WENO schemes: finite vo lume schemes and finite difference schemes. We also briefly mention a recent development of WENO schemes, namely an adaptive approach within the finite difference framework using smooth time dependent curvilinear coordinates.

爆轰波模拟中一个保正的有限体积WENO格式

对一维爆轰波的数值模拟设计了一种保正的有限体积WENO格式.以一维反应欧拉方程组作为描述爆轰波的控制方程,对方程组在空间离散上采用三阶WENO重构的有限体积法,时间离散上采用Strang分裂法和二阶龙格库塔法.从爆轰波的数值模拟中可以观察到,在压力快速变化的区域使用一般的WENO重构方法会使得压力出现负值.提出了一种简单且有效的策略,使得重构的压力具有保正性.通过数值算例验证了所提出的数值格式的稳定性和收敛性,以及对爆轰波结构变化捕捉的良好能力.

带全附体潜艇尾流场的数值预报研究

本文在人工可压缩性方法得到的不可压缩守恒型 Navier-Stokes方程的基础上 ,引入高精度的三阶基本无振荡格式 (ENO)及通量分裂形式的 LU分解方法 ,对某潜艇模型全附体的尾流场进行了数值模拟 。

计算流体力学中的高精度数值方法回顾(英文)

在过去的二、三十年中,计算流体力学(CFD)领域的高精度数值方法的设计和应用研究非常活跃.高精度数值方法主要针对具有复杂解结构流场的模拟而设计.回顾CFD中主要用于可压缩流模拟的几类高精度格式的发展与应用.可压缩流的一个重要特征是流场中存在激波、界面以及其它间断,同时还常常在解的光滑区域包含复杂结构.这对设计既不振荡又保持高阶精度的格式带来特别的挑战.重点讨论本质无振荡(ENO)、加权本质无振荡(WENO)有限差分与有限体积格式、间断Galerkin有限元(DG)方法,描述它们各自的特点、长处与不足,简要回顾这些方法的发展和应用,重点介绍它们近五年来的最新进展.

一种通量加权型紧致格式

将通量加权的思想引入到紧致格式中,构造了一个传统方法与紧致格式混合组成的加权型差分格式.利用该格式与二阶TVD格式分别计算了一维方波、组合波问题和一些黎曼问题,如Sod问题和Shu问题,以及一维定常激波问题.计算结果的比较表明加权格式无论在捕捉各种间断,还是在分辨各种复杂波系上,都具有较大的优势,并与精确解非常吻合.

进排气一维非定常流动的基本无振荡有限体积法的研究

采用基本无振荡有限体积法(ENO-FVM)建立了发动机进排气一维非定常流动的离散方程,并用具有精确解的激波管算例验证了该方法的有效性。应用该方法求解了D6114柴油机进排气管内的一维非定常气体流动。在各个工况下,涡前排气压力试验与计算的平均误差可以控制在5%以内,转速低时误差更小。发动机的各项主要性能参数都和试验吻合得很好。计算结果表明:该方法精度高,而且整个求解过程稳定。

Level Set追踪等温非牛顿熔体前沿界面

应用Level Set方法追踪薄壁型腔内Hele-Shaw熔体流动前沿界面,采用5阶加权本质无振荡格式耦合中心差分格式实现了充填阶段的动态模拟．准确追踪到了不同时刻熔体前沿界面,并得到了对应的压力等值线分布,数值结果表明Level Set方法是准确追踪注塑成型熔体前沿界面的一种行之有效的方法．

欧拉方程数值求解的高精度通量分裂方法

针对欧拉方程,提出一种将总能对流迎风和分压(E-CUSP)格式与加权本质无振荡(WENO)格式相耦合的新格式。在空间方向上,通过对低耗散E-CUSP格式的通量,采用高精度WENO格式进行重构;在时间方向上,使用4阶总变差递减(TVD)的Runge-Kutta方法进行推进,由此得到求解欧拉方程的高精度通量分裂方法。考虑E-CUSP格式与WENO重构进行耦合得到新格式,使其空间精度进一步提高。通过对激波管问题进行数值模拟发现,新的格式相对于E-CUSP格式对激波和接触间断捕捉的效果更加精准。数值结果表明:耦合得到的新格式具有更高的准确性和稳健性。

基于Additive Runge-Kutta方法的激波聚焦起爆高精度数值模拟

基于详细氢氧化学动力学模型,建立了描述氢氧爆轰的多组分反应欧拉方程组.针对建立的反应欧拉方程组,数值方法上采用3阶Additive Runge-Kutta方法对时间项进行积分,采用5阶精度的加权本质无振荡(WENO)格式对空间对流项进行离散,自主研发了大规模高精度计算程序.该程序能够处理化学反应源项引起的刚性问题,且能节省计算时间和计算内存.对半球型、半椭球型、圆锥型3种结构形式凹面腔内的激波聚焦起爆过程进行了数值模拟,数值模拟研究得到了不同结构形式凹面腔内的激波聚焦起爆过程.

一种三阶有限体积法及其在欠膨胀射流激波结构数值模拟中的应用

以喷管出口欠膨胀射流为研究对象,在Lagrange坐标系下建立欠膨胀射流二维积分形式的流动方程。通过在单元交接面处进行三阶ENO(essentially nonoscillatory)格式插值,构造得到一种适用于求解该方程的三阶ENO有限体积法。采用该格式对一维Sod激波管算例和喷管出口欠膨胀射流进行数值计算。计算结果表明,该方法具有高精度、基本无振荡的特点,能很好地捕捉包含激波、滑移线以及三波交点等复杂流场波系结构。计算得到的波系结构中马赫盘的位置与实验结果吻合很好,相对误差小于1.1%。

一种求解双曲守恒律方程的新方法

近年来,在计算流体力学中,WENO(WeightedEssentiallyNon-oscillatory)格式得到了很大的发展,这也促进了基于WENO格式基础上的CWENO(CentralWENO)格式的发展。WENO格式的主要思想是通过凸组合的方式进行插值重构,以得到高阶逼近,并且在间断附近防止伪震荡的产生。本文构造了一种新的五阶紧凑CWENO格式,该格式所选模板节点少,并且保留了原有中心格式的优点。最后通过一些数值算例来验证该格式的高精度,本性无震荡性质。

双曲守恒律方程的加权本质无振荡格式新进展

近几年,在计算流体力学中,高精度、高分辨率的加权本质无振荡(weighted essentially non-oscillatory,WENO)格式得到很大的发展.WENO格式的主要思想是通过低阶的数值流通量的凸组合重构得到高阶的逼近,并且在间断附近具有本质无振荡的性质.本文综合介绍了双曲守恒律方程的有限差分和有限体积迎风型WENO,中心WENO,紧致中心WENO以及优化的WENO格式等,讨论了负权的处理和多维问题的解决方法.最后,通过一些算例证明WENO格式的高精度,本质无振荡的性质.

空中爆炸问题的高精度数值模拟研究

针对空中爆炸初期强间断和爆炸后期接触间断物理特性,提出了虚拟流体方法(GFM)和真实虚拟流体方法(RGFM)2种界面处理方法相耦合的计算方法。在高密度比、高压力比同时存在的爆炸初期和压力、密度及速度等物理量相接近的爆炸后期,分别采用RGFM和GFM对物质界面两侧物理量进行处理。采用Local Level Set方法对运动界面进行追踪,并用5阶高精度加权本质非振荡(WENO)格式和3阶TVD Runge-Kutta方法对控制方程进行离散,编制了空中爆炸数值模拟程序,应用该程序对不同高度近地面空中爆炸以及冲击波与挡墙相互作用问题进行数值模拟,模拟结果能够较好地反映空中爆炸中冲击波的产生、传播、反射、绕射及爆炸产物的膨胀等现象,并与经验公式和试验结果吻合较好。证明了该耦合方法能够模拟空中爆炸问题,并且爆炸波在传播过程中具有很好的对称性,为模拟高密度比、高压力比的多物质之间相互作用问题提供了有效的计算方法。

基于带限制器的RKDG法的可压缩流数值模拟

采用带简单加权基本无振荡(WENO)限制器的Runge-Kutta间断有限元(RKDG)方法在笛卡尔网格上进行可压缩流数值模拟,同时结合ST(symmetry technique)方法和FGCM(Forrer’s ghost cell method)模拟计算具有复杂几何外形物体的可压缩流问题.该方法能保持计算格式的高精度且易于实现,可以计算具有复杂拓扑结构的物体绕流问题且对网格质量的要求较低.3个典型数值算例验证了该方法的有效性.