加权基本无振荡格式研究进展

加权型基本无振荡WENO格式是近十年发展起来的一类高阶、高精度格式,它是在ENO格式的基础上采用加权思想构造的,对流场内的间断和细致结构具有较高的分辨率,适于求解包含激波、膨胀波以及接触间断等复杂结构的流场,目前已发展成为计算流体力学中一种重要的方法。本文针对加权型基本无振荡格式近年来的进展作一简要介绍。

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。

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.

加权ENO格式的构造及数值模拟

将加权ENO格式推广到非结构三角形网格上 ,构造了一类加权ENO有限体积格式 ,提出的插值多项式的构造方式 ,可以减少计算时间 .对于出现的病态方程组 ,给出了解决方法 .此外还给出了插值点的选取方式及加权因子的构造方法 .结合三阶TVDRunge Kutta时间离散 。

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%。

两类激波捕捉格式的性能分析

考虑了两类典型的激波捕捉格式:特征形式的MUSCL(Monotone Upstream-centred Schemes for Conservation Laws)格式和WENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory)格式.MUSCL格式在作特征变换时使用了局部线性化的思想,并且针对波系的性质施加相应的限制器;通过逐维重构实现有限体积法的WENO格式.针对一维、二维和三维Euler系统进行数值实验.在一维和二维的情况下,特征形式的MUSCL格式在接触间断的捕捉上具有较明显的优势,而对于激波的捕捉则差别不大.对于三维问题则是WENO格式对流场的分辨更精细.最后对上述结果给出解释,并且提出了可能的改进方法.

基于WENO格式的爆震波传播过程一维数值模拟

用时间算子分裂法来分离普通流体流动和化学反应方程,采用有限体积加权基本无振荡格式构建了带有复杂状态方程的欧拉方程组;提出一种新的熵修正方法EF4,并结合Roe平均格式来解决激波的不稳定问题和间断问题。通过对带有详细化学反应的爆震波传播过程进行了一维数值模拟,获得的爆震波稳定压力以及爆震波传播速度都和理论结果一致,结果表明,WENO有限体积格式可以很好地模拟爆震波传播过程。

数值摄动算法及其CFD格式

数值摄动算法将流体动力学效应耦合进NS方程组和对流扩散(CD)方程离散的数学基本格式(MBS),特别是耦合进最简单的一阶迎风和二阶中心格式之中,由此构建成一系列新的摄动格式(PS).构建PS的主要步骤是将MBS中的通量重构为步长的幂级数,利用空间分裂和导出的高阶流体动力学线性关系式,并引入下游不影响上游的对流运动规律,通过消除重构格式修正微分方程的截断误差诸项求出幂级数的待定系数,由此获得非线性PS.PS的项是MBS中对应项与R△x(及λR△x)之简单多项式的乘积,R△x和λ分别是网格Reynolds数和网格CFL数.PS和MBS使用相同结点,简单性彼此相当,但PS精度高,稳定范围大,例如PS包含了许多绝对稳定高阶迎风和中心有限差分(FD)格式和绝对正型有限体积(FV)格式,这些格式对网格Reynolds数的任意值均为不振荡格式.数值摄动算法因此是构建高精度不振荡CFD格式的新方法.PS用于计算不可压缩流、可压缩流、液滴萃取传质、微通道两相流等,均获得良好数值结果或与已有Benchmark解一致的数值结果.已有文献称数值摄动算法为新型高精度方法和高算法,文中也讨论了一些值得进一步研究的课题.

高阶多维半离散中心迎风格式及其应用

提出了求解多维对流-扩散方程的四阶半离散中心迎风格式。该格式以中心加权基本无振荡(CWENO)重构为基础,同时考虑到在Riemann扇内波传播的局部速度,从而更加准确地估计出了局部Riemann扇的宽度,最终既回避了网格的交错,又降低了格式的数值粘性,建立了介于迎风格式和中心格式之间的半离散中心迎风格式。本文还将该四阶半离散中心迎风格式与涡度-流函数方法相结合,有效地求解了二维不可压Euler方程组和Navier-Stokes方程组。

求解多维双曲守恒律方程组的四阶半离散格式

提出了求解多维双曲守恒律方程组的四阶半离散格式。该方法以中心加权基本无振荡(CWENO)重构为基础,同时考虑到在R iemann扇内波传播的局部速度,从而回避了计算过程中的网格交错,建立了数值耗散较小的介于迎风格式和中心格式之间的半离散格式。本文的四阶半离散格式是Kurganov等人的三阶半离散格式的高阶推广。大量的数值算例充分说明了本文方法的高分辨率和稳定性。

适于可压缩多尺度流动的紧致型激波捕捉格式

针对可压缩多尺度流动数值模拟特点,研究一种五阶高分辨率紧致型激波捕捉格式——紧致重构加权基本无振荡(CRWENO)格式。该格式利用非线性权系数将低阶紧致格式加权组合以达到高阶精度。在光滑区域蜕化成具有高分辨率的五阶线性紧致格式,在间断附近则能保持计算稳定无振荡。对CRWENO格式、目前广泛使用的加权基本无振荡(WENO)格式及两格式对应的线性格式(即五阶线性迎风格式和五阶紧致格式)进行数值性能研究,评估非线性权系数对格式耗散及频谱特性的影响。使用一维、二维、三维典型算例进行数值试验,探讨线性/非线性、紧致/非紧致格式在可压缩多尺度流动模拟中的优势和不足。结果表明,CRWENO格式在强压缩性流场模拟中能够稳定地捕捉激波,其紧致特性则改善了非线性格式普遍存在的耗散过大、分辨率较差的问题,使其能够清晰捕捉多尺度流动结构。因此,该格式在可压缩多尺度流动模拟中具有较大优势。

虚拟单元有限体积WENO5格式及其应用

本文在笛卡尔网格上给出一种五阶有限体积加权基本无振荡格式首先在二十五个单元构成的空间大模板上构造五次不完全多项式;将此大模板划分为九个子模板,并在其上构造三次不完全多项式;计算线性权,光滑指示器和非线性权;利用三阶TVD Runge-Kutta时间离散方法得到时空一致高精度格式.虽然该格式具有较高数值精度但不能直接应用于具有复杂拓扑结构物体的可压缩绕流问题.为降低该格式对网格的要求,本文采用ST和GBCM两种浸入边界虚拟单元方法处理物面边界条件,将有限体积高精度格式同虚拟单元方法相结合,能有效降低格式构造和网格生成的复杂性.文中给出的多个经典复杂物体绕流问题的数值计算充分表明了本方法的可靠性和有效性.

高效率的特征型紧致WENO混合格式

特征型紧致加权基本无振荡(WENO)混合格式HCW-R结合了迎风紧致格式CS5-P和WENO格式,具有十分优异的分辨率特性。但在求解多维方程组时,HCW-R格式需要求解块状三对角方程组,因而计算代价十分高昂。采用迎风紧致格式CS5-F代替CS5-P,构造了一个新的特征型紧致WENO混合格式HCW-E。由于HCW-E的特殊形式,其可沿迎风方向、由边界处向内推进求解,避免了处理三对角或块状三对角方程组,从而其计算代价与显式格式无异。虽然就分辨率而言,HCW-E稍逊于HCW-R,但前者的计算效率要显著高于后者。因此,当花费相同的计算代价,HCW-E格式可以获得更好的数值结果。一系列求解Euler方程组的数值试验验证了HCW-E的高分辨率特性和相比HCW-R更高的计算效率。HCW-E格式的效率优势在求解高维问题时更为明显。

非结构任意多边形网格辐射扩散方程有限体积格式

本文基于非结构任意多边形网格体系,给出了求解辐射扩散方程的中心型有限体积格式,格式中出现的网格节点未知量由相邻的网格中心未知量加权给出,综合考虑网格几何及扩散系数的影响,给出了节点未知量的一种加权方式,数值实验表明格式在各种非结构网格上具有较强的适应性.

改进的有限体积法扩散项离散格式

分析了传统的有限体积法求解扩散问题中,当扩散系数在有限控制体界面两侧差异较大时,扩散通量在界面附近出现的数值振荡现象.根据界面两侧扩散通量相等和有限控制体内变量线性变化假设,推导了改进的有限体积法扩散项离散格式.数值算例表明:由2种扩散项离散格式计算得到的变量及其梯度分布很接近,而改进的扩散项离散格式消除了扩散通量的振荡问题,计算结果更加准确,能应用于扩散系数剧烈变化时的扩散问题求解.

一种光滑型TENO非线性加权的WCNS格式

可压缩湍流流动广泛存在于航空航天领域,流场中激波间断与多尺度湍流共存使得高精度数值模拟面临巨大挑战。为了提升复杂湍流模拟的精度,在加权紧致非线性格式(WCNS)框架下,发展基于目标基本无振荡(TENO)格式加权策略的WCNS-T格式,并进一步从兼顾数值计算收敛性和精度的角度提出光滑型S-TENO非线性加权方法及其WCNS-ST格式。通过频谱特性分析、一维Lax和Osher-Shu算例、二维双Mach反射算例测试了发展的WCNS-ST格式对于间断与高频波的捕捉能力;通过二维圆柱层流绕流与三维30P30N多段翼型的自适应湍流模拟,重点对比研究了原始TENO加权与当前的S-TENO加权在黏性复杂流动中的收敛特性及其对数值计算结果的影响。研究发现,当前提出的S-TENO非线性加权保持了原始TENO非线性加权的色散耗散特性及激波捕捉方面的能力,同时明显改善了WCNS-JS和WCNS-Z格式中非线性耗散过大的问题;S-TENO非线性加权显著改善了原始TENO非线性加权中权值阶跃导致的收敛困难问题。以上结果表明,当前提出的光滑型S-TENO非线性加权及其WCNS-ST格式在实际复杂构型流动数值模拟中兼顾精度和收敛性,更加适用于复杂工程应用场景。

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.

适用于超声速流场计算的有限体积紧致算法

结合紧致格式与有限体积法两者的优点,提出了一种基于有限体积的紧致算法.采用特征处理的通量限制方法抑制紧致格式在间断附近的非物理振荡,将该算法应用于航天领域超声速流场的数值模拟.通过计算典型算例,并与其他格式计算结果进行对比,证明了该算法能够无振荡捕捉各种间断,且对波系结构的刻画最为锐利,并能够精细分辨小尺度流场结构,计算结果与精确解最为接近.

二维爆震波胞格结构的数值模拟

用时间算子分裂法来分离普通流体流动和化学反应方程,采用加权基本无振荡格式构建了带有复杂状态方程的欧拉方程组;提出一种新的熵修正方法,并结合Roe平均格式来解决激波的不稳定问题。通过对带有详细化学反应的爆震波进行数值模拟,获得了独特规则的胞格结构,描述了胞格的特点及其形成的原因,胞格的长宽比和以往的实验和计算结果基本一致。研究结果表明新的熵修正方法和加权基本无振荡格式可以很好地进行爆震波结构的模拟。

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.