爆炸波高精度数值计算程序开发及应用

[目的]当爆炸发生在约束空间内部,由于壁面的约束限制,爆炸冲击波的传播和演化特性将更加复杂,其对结构、内部设施及人员的损伤也更加严重。为了研究约束空间内部的爆炸特性,[方法]基于FORTRAN平台,采用三阶WENO有限差分格式,自主开发约束空间内部爆炸波高精度三维数值计算程序。利用Sod激波管、双爆轰波碰撞、空中爆炸等经典算例,验证所开发程序的可靠性。基于验证的程序,开展约束空间内部爆炸波数值计算,研究密闭空间、泄压空间及连通空间内部的爆炸波传播规律与爆炸载荷特性。[结果]研究表明,所开发的程序能较好地模拟约束空间内的爆炸过程。[结论]该开发工作可为后续研究复杂空间内部爆炸波传播路径、评估爆炸载荷以及合理设计抗爆结构奠定基础。

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.

可压缩密实介质多流体高精度欧拉算法

从可压缩密实介质状态方程出发 ,推导出多介质流体在界面附近满足的动力学方程 ,与守恒律方程一起 ,采用高精度有限体积方法进行求解 ,物质界面用LevelSet函数捕捉。并给出了一维和二维数值算例。

多介质流体力学计算的谱体积方法

针对高维及多物理耦合计算耗费大等困难,设计适合多介质流动模拟的模板紧致、易于并行、高阶精度、计算耗费小的谱体积方法。该方法是求解双曲型守恒率谱体积方法的直接推广,针对多介质流动物质界面捕捉的困难,利用拟守恒格式的思想避免物质界面处的非物理振荡。数值模拟结果表明,本方法具有高阶精度、高分辨率,且节约计算量,并且可以有效避免物质界面处非物理振荡。

C描述的高精度数值计算

从数据结构+算法的角度系统地给出的高精度数值计算的程序,可以突破计算机对数值表示范围的限制,从而使其具有任意位高精度数值的加、减、乘、除等强大的数值计算的功能。

多介质流体界面不稳定性程序

研制了二维多介质流体程序，主要包括单介质内高精度流体力学计算，多介质混合网格内各种介质输运过程和压力驰豫平衡过程计算、实际状态方程的黎曼解计算。流体计算分别采用高分辨两步PPM（Parabolic Piecewise Method）算法、TVD（Total Variation Diminishing）算法和FCT（Flux Corrected—Transport）算法，流体界面追踪采用VOF（Volume-of-Fluid）。数值求解可压缩多流体方程组和可压缩VOF方程。二维界面追踪分别采用一阶精度Youngs方法和二阶精度Elivira方法，三维界面追踪采用一阶精度Youngs方法，

螺旋板式换热器高黏性介质换热特性的数值模拟

应用计算流体力学(CFD)和数值传热学方法对螺旋板式换热器高黏性介质的传热特性进行了数值模拟。通过热流通道的润滑油、减压渣油和导热油3种介质与冷流通道的水模拟,计算传热系数和压降,并整合做出曲线。分析了不同黏度流体对螺旋板式换热器传热性能的影响。

高精度有限差分法与复杂流动的数值模拟

针对非定常多尺度复杂流动特征,介绍了高精度有限差分法。用Taylor级数和Fourier分析两种方法分析了数值解的特性,色散和耗散效应可能给数值解带来的影响,及对网格Reynolds数的限制,给出了物理尺度和网格尺度之间的关系,对比分析了谱方法和差分法中的混淆误差。最后数值模拟了几种典型复杂流动:可压三维平面混合流,充分发展的可压和不可压槽道湍流,及二维涡——激波干扰声场。

高精度迎风格式的射弹粘性绕流场数值模拟

应用四阶的MUSCLTVD格式 ,求解雷诺平均的N S方程 ,对超音速射流与弹体绕流流场和弧形翼的空气动力特性进行了数值模拟研究 ,计算结果与实验对比表明 。

对流扩散方程QUICK格式的数值摄动高精度重构格式

利用高智提出的数值摄动算法,把对流扩散方程的常用QUICK格式(黏性和对流项分别用二阶中心和QUICK格式离散)进行了高精度重构,包括利用离散单元内所有结点的全域重构和分别利用离散单元内上下游结点的上下游重构,得到两类新的更高阶精度的数值摄动重构格式,称为高的QUICK格式(G-QUICK格式).G-QUICK格式与QUICK格式相比简单性相当,但精度更高;全域重构G-QUICK格式和QUICK格式均为条件稳定,上下游重构得到一些绝对稳定的G-QUICK格式.解析分析和数值算例均证实了G-QUICK格式的优良性能,上下游重构的G-QUICK格式为在对流扩散方程的QUICK格式中避免使用人工黏性提供了新途径.

某飞行器空气流体动力参数计算与弹道仿真

为了有效指导飞行器结构设计,获得风洞试验不能获得的中间参数,减少风洞试验的次数,在现有仿真文献优点的基础上,运用Pro/Engineer、ANSA、Fluent和Matlab等软件对某飞行器的几何外形、非结构流体网格划分、流体动力参数和无动力飞行弹道数据进行处理和计算。通过MPI并行计算和JOU批处理自编程序,完成96种工况千万级网格数量下的流体动力参数高精度计算,运用Matlab自编程序结合经典四阶龙格库塔法和拉格朗日插值算法求解飞行器纵向运动方程组完成空中飞行弹道仿真。结果表明:该仿真结果能有效指导某飞行器结构设计,减少风洞试验次数,获得风洞试验不能获得的中间参数,缩短研制周期,节约研制经费。

Welander自然循环问题高精度数值模拟

目前主流的热工水力系统分析程序采用一阶差分格式来离散基本守恒方程。一阶差分截断误差大,导致系统分析程序在模拟自然循环问题时计算精度不高。为提高计算精度,本文采用两流体双压力两相流模型高精度数值解法对Welander自然循环问题进行计算分析。数值结果表明,高精度数值解法能有效减小数值扩散,提高预测精度。

PLC在高精度控温系统中的应用

提出和总结了一套采用以PLC为主体的高精度多点控温系统的设计方法,获得高精度控温的软件的设计技术、软硬件配合的关键点.该系统具有组合灵活,控温精度高、成本低廉、高可靠的特点.

界面不稳定性引起混合过程的二维数值计算

在可压缩多介质流体动力学高精度欧拉计算方法多介质流体分段抛物方法(multi-fluid piecewise parabolic method,MFPPM)基础上,运用算子分裂技术,增加二阶空间中心差方法和两步Rung-Kutta时间推进方法计算动力学黏性以及热流部分对流场的影响,发展适用于NS(Navier-Stokes)方程的可压缩多介质黏性流体计算方法多介质黏性流体分段抛物方法(multi-viscousity-fluid piecewise parabolic method,MVPPM).文中采用MVPPM对英国AWE(atomic weapons establishment)激波管实验进行二维计算,给出了与实验图像基本一致的计算结果;应用MFPPM和MVPPM分别对二维柱对称内爆动力学界面不稳定性及其后期混合过程进行数值模拟,给出内外界面演化、速度历史以及后期中心气穴不同半径内因RT(Rayleigh-Taylor)界面不稳定性引起的混合量分布情况,从计算结果比较可见黏性对物质界面处混合量的分布影响明显.

超高速发射实验及其数值分析

采用多介质流体高精度欧拉并行计算程序HVL-MFPPM,对Sandia实验室和中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室进行的两个超高速发射实验装置进行数值模拟,前者给出的二级飞片前界面速度历史与VISAR实验测试和HVL-CTH程序计算结果一致,后者给出二级飞片稳定时的速度和飞行姿态与实验测试结果吻合,同时还给出了128个和216个CPU计算的界面形状。为进一步获得更高二级飞片速度的实验装置设计提供了理论和数值分析基础。

激波管实验和果冻实验界面不稳定性数值计算

运用算子分裂技术,增加二阶空间中心差方法和两步Rung-Kutta时间推进方法计算动力学粘性以及热流部分对流场的影响,将可压缩多介质流体动力学高精度欧拉计算方法MFPPM发展到适用于NS(Navier Stokes)方程的可压缩多介质粘性流体计算方法MVPPM。通过与界面不稳定性实验结果的比较,来检验计算方法的正确性,并验证计算程序的有效性。主要包括一个激波管实验和两个果冻实验,即英国AWE(Atomic Weapons Establishment)激波管实验和LLNL实验室的果冻环实验以及中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室进行的爆轰驱动下单层果冻界面不稳定性实验。研究结果表明:数值模拟结果与实验测量结果以及对应时刻的实验图象均吻合较好。

双曲型守恒律的高阶、高分辨有限体积法

有限体积法是一种离散积分形式守恒律的数值方法．它可以吸收有限元法和有限差分法的一些重要思想与技巧．由于它可方便地利用多种类型的网格（结构网格和非结构网格），从而非常适用于处理复杂计算区域，目前已成为一种在计算流体力学中十分重要的方法．本文将针对二维双曲守衡律，对高精度、高分辨的有限体积法及其近年来的进展做一简要介绍．

内爆加载下果冻内外界面不稳定性数值计算

采用可压缩多介质流体高精度PPM方法对实验模型进行数值计算,针对果冻内外界面10模峰对峰、峰对谷振幅为1mm扰动模型,给出了与实验相对应时刻的数值计算结果,并对果冻内外界面位置、速度和加速度历史进行了详细分析。计算结果再现了复杂的实验现象,基本物理现象与实验图像以及计算结果和实验数据均相吻合。

应用于计算气动声学的优化有限紧致格式

对于含间断的计算气动声学问题,数值计算的格式不仅要求低耗散低色散的设计,对短波具有较高的分辨率,还要求能捕捉激波。中心紧致格式具有高精度,具有无耗散和低色散特征,但不能捕捉间断和激波;WENO格式处理间断较为成功,而耗散和色散误差相对较大.有限紧致格式可以将紧致格式与WENO格式相结合构造成混合格式,利用光滑因子之间的关系对激波区域进行自动判断,将传统的金域求解的紧致格式划分为有限的局部紧致求解,间断点上的激波捕捉铜梁自动作为局部紧致求解的边界通量,在在光滑区域具有紧致格式的高精度低耗散性质,在激波附近不产生非物理振荡。本文利用有限紧致格式思想,构造了新的适合于气动声学问题的优化有限紧致格式,将其应用于计算气动声学一维标准测试问题,对相关格式的模拟性能进行了评估,显示该格式在宽频声波传播和含有间断的声波传播模拟方面具有优势。

高精度计算流体力学软件Hoam-OpenCFD开发

介绍了自主开发的高精度计算流体力学软件Hoam-OpenCFD的特点、基本结构、可扩展性测试结果及典型应用算例。并行计算测试显示了该软件具有良好并行效率及高度的可扩展性。通过航天、航空及湍流基础研究领域的三个典型应用算例展示了该软件的计算结果。