双重加权实质无波动激波捕捉格式

本文构造了一种新的加权激波捕捉格式,命名为双重加权实质无波动(DoubleWeightedEssentiallyNon-Oscillatory,简称DWENO)格式。DWENO格式不需要引进最优权值,并且可以递推地达到任意高阶精度。文中给出了典型算例的计算结果,这些结果表明DWENO格式具有高于WENO格式的间断分辨率。

双重加权实质无波动激波捕捉格式的改进和应用

本文重新研究了双重加权实质无波动(DWENO)激波捕捉格式的构造过程,对模板光滑系数的定义,以及两重权值的计算方法进行了改进,并通过一维Riemann问题测试了这些改进,确定了参数的选择范围。最后,本文将改进后的DWENO(r=3)格式进一步应用于一维、二维典型问题的数值模拟,并比较了DWENO格式和WENO格式的精度和分辨率。

高分辨率激波捕捉格式及其CFD应用

在曲线坐标下将高分辨率AUSMPW激波捕捉格式扩展到三维问题 .为了提高计算精度 ,采用三阶MUSCL格式 .将AUSMPW格式与隐式时间推进法LU SGS方法结合 ,应用于可压缩无粘和有粘流动的数散模拟 .计算结果与文献中计算结果和实验数据相符 ,并将该格式与CD、TVD。

Monotonicity-Preserving激波捕捉格式在湍流大尺度模拟中的评估

对高阶激波捕捉格式的性能进行了系统的测评,重点分析了Suresh和Huynh(1997)所提出的Monotonicity-Preserving格式的性能.结果表明Monotonicity-Preserving格式的性能显著优于原始WENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory)格式,和改进型WENO格式相当.对格式的分析进一步表明,迎风型的激波捕捉格式在湍流模拟方面的性能都不及高阶中心格式,其原因归结为激波捕捉格式所包含的线性和非线性耗散.因此,改进高阶激波捕捉格式的关键在于同时降低格式的线性耗散和非线性耗散,以提高格式对湍流脉动能量的保持和对小尺度脉动结构的捕捉能力.

Riemann问题基于双激波近似的激波捕捉格式

Riem ann问题迭代求解的计算量很大 ,为了提高效率 ,减小计算量 ,提出一种 Riemann问题的近似解法。把Riem ann问题中的膨胀波看成是“膨胀激波”,认为左右状态之间存在由两个激波围成的相似解区域。该方法的优点是保留了 Riem ann问题的非线性特征 ,且保证左右波之间的自相似解区域的熵不减少。该方法在一维及多维无粘可压缩流动求解中取得了较好的结果。

7阶WENO-S格式的计算效率研究

WENO-S格式是一类适合于含间断问题数值模拟的加权本质无振荡格式.这类格式的光滑因子满足对单频波为常数,这使得其近似色散关系与线性基底格式一致,并且具有良好的小尺度波动模拟能力.计算效率是数值方法性能指标的一个重要方面.由于WENO-S格式的光滑因子在各子模板上的计算公式除下标不同外形式一致,在计算线性对流方程相邻数值通量时,部分光滑因子完全相同.为此提出一种消除WENO-S格式冗余光滑因子计算的方法.该方法要求一条网格线上用于重构或插值的量可以表示为一个序列.基于此要求分析其对于几种不同物理问题的可行性和使用方法.以7阶WENO-S格式为例介绍了格式性质和去除冗余光滑因子计算的方法.该方法中预先计算和存储一条网格线上的所有光滑因子,在网格点较多的情况下,光滑因子计算次数约为原7阶WENO-S格式的1/4.对一维对流问题、球面波传播问题、二维旋转问题、二维小扰动传播问题及一维和二维无黏流动问题进行了数值模拟.结果表明该格式对多种流动结构具有良好的捕捉能力,并且同时具有良好的计算效率,去除冗余计算后又降低了约20%的计算时间.

5阶非线性WCNS和WENO差分格式频谱特性比较

近似色散关系(ADR)可以用来分析非线性格式的修正波数。发展了一种求解ADR的数值方法,通过数值求解ADR比较了5阶非线性WENO5和WCNS-E-5有限差分格式的频谱特性。计算结果表明WCNS-E-5的色散误差比WENO5小,数值耗散也比WENO5小,整体性能比WENO5优越。

捕捉激波的群速度控制方法

回顾及综述了群速度控制方法基本原理、发展过程及最新进展。群速度控制方法是通过控制色散误差以捕捉间断的一种数值方法。该方法通过在间断两侧采用不同色散类型的格式,将数值波的传播压制在间断附近,避免数值振荡向周围扩散,从而达到抑制数值振荡的效果。该方法主体上采用数值色散抑制振荡,实际使用中仅需补充较低水平的数值耗散就可将振荡压制在可接受的范围内。因而群速度控制格式的总体耗散水平较低,易于实现小尺度波的高分辨率捕捉,是复杂流动高分辨率数值模拟的有效方法。

一种面向激波噪声计算的加权优化紧致格式及非线性效应分析

在超声速流动中,激波与湍流结构的相互作用会产生高强度的激波噪声.激波噪声的高保真计算要求激波捕捉格式具有高阶精度、低耗散和低色散特性,同时还要尽可能地减弱格式的非线性效应.现有的六阶精度迎风/对称混合型加权非线性紧致格式CCSSR-HW-6在基于对称模板构造网格中心处的数值通量时引入了两级加权,且两级加权都需要构造非线性的权系数,因而非线性效应较强.本文以修正波数的误差积分函数为优化目标函数,优化了CCSSR-HW-6格式的非线性特性,建立了加权优化紧致格式WOCS.精度验证表明WOCS格式的精度高于5阶.谱特性分析表明,与原方法相比, WOCS格式的耗散误差和非线性效应显著降低.典型激波噪声问题数值实验表明:WOCS格式不仅提高了对高频波的分辨能力,而且显著地消除了数值解中因格式的非线性效应所导致的非物理振荡.

跨声速压气机数值模拟格式效应研究

针对跨声速叶轮机械复杂内部粘性流动,开发了全三维高精度RANS数值求解器。分别采用FVS格式与AUSM+格式结合多种限制器对Rotor 67跨声速压气机转子进行数值模拟,分析和比较了各格式的计算效果并与试验结果对比。结果表明:与FVS格式相比,AUSM+格式的数值粘性更小,边界层的模拟精度更高;Hemker限制器的综合表现最优,Van Albada限制器的粘性分辨率略低于Hemker限制器,Minmod限制器对流动分离现象的捕捉能力较差,Van Leer限制器容易引入色散误差。

气液两相流混合模型代数重构方法

为提高国家数值风洞工程气液两相流软件混合模型求解器的自由界面模拟分辨率,增强多介质流体界面问题的模拟能力,基于代数重构方法,应用双曲正切函数界面捕捉格式对体积分数进行了插值重构,实现两相流混合模型与自由界面代数重构方法的耦合,抑制原混合模型下自由界面的非物理耗散现象,保持界面清晰尖锐;引入预处理技术,解决低速流动中由于特征值量级差距导致的计算刚性问题,提高收敛速度;应用双时间进行非定常时间推进。最后,采用方块对流、Zalesak盘刚性旋转和溃坝算例进行考核验证,数值结果显示,耦合了双曲正切函数界面捕捉格式的两相流混合模型在保持质量守恒的同时,获得了更高的自由界面分辨率,以及更丰富的多相流动细节。

非结构高阶CPR方法的子单元限制中的问题单元侦测

重构修正(correction procedure via reconstruction, CPR)是一种计算高效、模板紧致、适用于非结构网格的高阶方法,但是无法处理流场含有较强间断的问题。针对这个问题,前期基于二阶非等距非线性加权插值的激波捕捉格式以及非结构四边形网格,发展了高阶CPR方法的一种子单元限制技术。该技术首先通过侦测因子确定出问题单元,然后将问题单元基于CPR求解点划分成非等距子单元,并在子单元中采用二阶激波捕捉格式进行计算。这种子单元限制技术保证了主单元和子单元的求解点重合,可以十分方便地处理主单元和子单元之间的数据交换。问题单元的侦测是该子单元限制技术的关键步骤,侦测出的问题单元的数量以及分布情况都将会影响数值结果。基于此,本文同时考虑了单元侦测和分维侦测两种问题单元侦测方式。通过激波管问题、Shu-Osher问题、双马赫反射问题、激波-旋涡干扰等典型算例对比分析了TVB、MDHE和JST侦测因子对数值格式分辨率的影响。研究结果表明:分维侦测能够减少问题单元的区域,进而提高分辨率。

基于BVD原理的高保真空间重构方法

简要综述了一类基于单元边界变差最小化(Boundary Variation Diminishing,BVD)原理,设计双曲守恒律高保真数值格式的空间重构方法。BVD原理要求尽量减少通过重构得到的网格边界两侧物理量之间的差,从而能够有效地控制黎曼求解器中的数值黏性。BVD方法针对数值解的空间分布特征,选择多个函数作为空间重构的候补函数,并根据BVD判定准则从候补函数中选取最合适的函数进行空间重构。BVD判据不需要根据求解对象进行经验参数(阈值)的调整。选用适当的候补函数和BVD准则,可以完全避免现有算法中为抑制数值振荡而必须采用的非线性限制。BVD格式能在抑制数值振荡的同时,有效地控制数值耗散,可以对光滑解与间断解都获得高保真的计算结果。本文概述了BVD方法的基本思想、设计相关格式的基本思路,以及一些具有很强实用价值的BVD格式。并通过单相和两相可压缩流动的一些典型算例验证BVD格式的特点和优势。

高精度格式非线性权的统计谱特性分析

分析激波捕捉格式/混合格式中常用的非线性权和激波识别器在谱空间中的性质.设计一套分析非线性权和激波识别器在傅里叶空间性质的统计谱特性分析方法;利用该方法对不同的非线性权和激波识别器在傅里叶空间的性质进行详细分析,给出不同非线性权和激波识别器的统计特性,并比较优劣.分析方法和结论有助于深入理解非线性格式/混合格式在数值计算中的表现,并为设计高分辨率非线性格式提供理论支撑.

三种不同自适应开关的高效WENOCU4格式研究

目的:现有研究尚未提供WENOCU4格式中参数C的建议值。本文旨在根据流场特性自适应地调节参数C的量级从而提高格式的数值表现。为此,通过广泛的数值模拟以提供自适应参数C的参考值,并系统地评估三种能够自适应调节参数C的开关的性能,测得综合表现最佳的开关,进而为获得高阶WENO改进型格式提供参考。创新点:1.提供了高效WENOCU4格式的自适应参数C的参考值;2.系统地评估了三种自适应开关(二进制型、连续型和双曲正切型)的性能,并证实了二进制型开关的最佳表现。方法:1.通过理论分析,系统研究三种自适应开关的原理和性能特点;2.通过广泛的数值模拟(包括一维标量方程、经验色散关系和多维欧拉方程的标准算例),获得自适应参数C的参考值并验证其合理性;3.通过广泛的数值模拟,系统评估三种自适应开关的综合表现(包括数值色散和耗散特性以及计算效率),并获得综合性能最佳的自适应开关。结论:1.对于高效WENOCU4格式而言,本研究证实了Cmin=40和Cmax=400是合理的自适应参数C的参考值,因此不应该直接采用WENOCU6的原始建议值。2.根据流场的连续性,采用自适应的参数C可以在保证数值稳定性的同时,有效地抑制WENOCU4的数值耗散。3.相比于其它开关,二进制型开关的综合表现最佳;其能够过滤激波感知器在光滑区域的一些误判,构造简单,且计算效率较高。4.本研究对三种自适应开关的评估具有一般性,因此易于拓展到其它高阶WENO格式的改进工作中。

一种基于幅值和波数的耗散控制方法

激波捕捉格式可以根据局部流场的光滑程度自适应地控制耗散,以抑制小尺度的非物理波动并解析更多的大尺度流动结构。为了更好地识别激波捕捉过程中产生的小尺度非物理波动,进而更精确地控制耗散,提出一种基于局部流场的幅值和波数控制耗散的方法。对于激波主导的或各向同性湍流的具有强烈非定常性的问题,根据一维非定常欧拉方程,推导小尺度下不同物理量之间的关系,并通过数值实验或Kolmogorov尺度理论确定小尺度波动幅值的阈值。最后,基于傅里叶分析及小尺度波动幅值的阈值,建立耗散大小与局部流场的幅值和波数的关系。为了获得激波捕捉能力,将该格式与TENO(Targeted Essentially Non-Oscillatory)格式进行混合构造了混合格式。一系列激波主导的基准算例显示,该格式在计算过程中产生的小尺度非物理波动的波数更低,幅值更小,并对大尺度的流动结构具有更好的分辨率。

超声速支板燃烧室中氢气火焰的超大涡模拟

采用超大涡模拟(VLES)方法对德国宇航中心(DLR)支板燃烧室中的超声速火焰进行了数值模拟,并使用基于守恒变量的爆炸模态分析方法(CCEMA)对火焰的稳定机理进行了分析。研究中采用了基于k-ω切应力输运(SST)模型的VLES湍流模型,以及基于Ingenito超声速燃烧模型(ISCM)和部分搅拌反应器(PaSR)模型的混合湍流燃烧模型。数值模拟方法预测的时间平均温度和流向速度分布与实验数据的吻合度较高。离散方法方面,提出了一种改进的低耗散激波捕捉格式,拥有更好激波分辨能力。相比原始格式,改进的格式进一步提高了燃烧室支板下游点火区内湍流/火焰结构的模拟保真度。火焰诊断结果表明:在着火点前,组分扩散、化学反应和激波压缩效应都对爆炸模态(CEM)起到正面促进作用。另外热爆炸效应相比自由基爆炸更为剧烈,说明了DLR燃烧室内的火焰稳定模式为扩散和压缩效应协助点火模式。