支持笛卡尔混合网格的不可压流动CFD求解器开发与验证

使用切割单元法并结合贴体棱柱层网格来处理物面边界层的笛卡尔混合网格,体现了近年来网格技术发展的趋势。但是在笛卡尔网格和棱柱层网格的结合部,会存在少量网格单元尺度变化剧烈和网格倾斜率高等问题,从而导致数值不稳定和非物理振荡等。为了解决这一问题,在自主开发的CFD求解器中引入梯度限制器,并对相邻单元间界面的插值进行了特殊处理。针对典型的全附体水下航行体和大方形系数水面船模型,分别采用结构化网格和笛卡尔混合网格开展了CFD计算,对包括阻力和尾流场在内的计算结果进行了比较,表明引入了梯度限制器后的CFD求解器能获得与模型试验结果较为接近的数值计算结果,笛卡尔混合网格在复杂尾流场的CFD模拟方面表现出一定的优势。

基于混合笛卡尔网格方法的扑动翼型数值模拟

针对单体扑动翼型与前扑动/后静止串联布置的双翼型发展了适用于运动边界问题的非定常混合笛卡尔网格方法,并进行了数值模拟研究。在物面附近使用贴体结构网格,外部使用自适应笛卡尔网格来填充,使用最近"贡献单元"方法来实现两套网格之间的信息传递。发展了一套非定常可压缩求解器,使用格心格式2阶精度的有限体积方法实现空间离散,使用隐式LU-SGS双时间步方法实现时间离散。物面边界运动过程中,在贴体网格外边界进行笛卡尔网格的动态几何自适应,使用逆距离插值方法进行新鲜网格单元参数的确定。对扑动翼型的研究重点关注了推力系数与推进效率:除却很小的扑动幅值与减缩频率的工况,在单体扑动翼型后部一倍弦长处放置一个静止翼型能够增大推力系数;但推进效率的改变较为复杂,与扑动的幅值以及减缩频率相关。

基于混合笛卡尔网格的翼型绕流数值模拟

在对重叠网格技术研究的基础上,一套以笛卡尔网格为主体、贴体的结构网格为特殊固壁边界的混合笛卡尔网格(Hybrid Cartesian Grid,HCG)生成方法得到了发展,同时基于流场特征的笛卡尔网格自适应技术和有限体积方法的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)的数值求解方法也得到了开发。通过对经典跨音速RAE2822翼型、双NACA0012翼型和高升力两段NLR-7301翼型进行绕流数值模拟,获得了较好的结果,验证了方法的可行性与精确性,为研究二维复杂外形流动问题提供了一种解决方法。

预处理方法在混合笛卡尔网格中的应用研究

使用基于混合笛卡尔网格的预处理方法,对低马赫数下的定常/非定常流动问题进行了数值模拟研究。网格生成中,在物面附近生成贴体结构网格,其余计算区域使用笛卡尔网格进行填充,两套网格之间通过查找"贡献单元"实现流场数据间的传递。同时,使用基于密度的预处理方法,发展了一套可求解从低速(极低马赫数)到常规马赫数的N-S方程求解器,时间离散使用隐式双时间步LU-SGS格式,空间离散使用具有二阶精度的格心格式有限体积方法。非定常流动问题的数值模拟过程中,使用逆距离插值来进行新现网格单元上流场参数确定。通过对NACA0012翼型在低马赫数下的定常绕流和动态失速问题的数值模拟研究表明:使用预处理方法能够加快低马赫数下数值计算的收敛速度和提高计算的准确性,基于混合笛卡尔网格的N-S方程求解器能够模拟包含运动边界的低速不可压非定常流动问题。耦合预处理技术的混合笛卡尔网格方法给包含低速和常规马赫数的复杂运动边界问题的求解提供了新的思路。

基于混合笛卡尔网格的风力机问题数值模拟

基于混合笛卡尔网格方法,对S809翼型和Phase VI叶片的绕流问题进行数值模拟研究。计算网格物面附近生成贴体结构网格,其余部分使用笛卡尔网格进行填充,两者之间通过查找"贡献单元"的方法来进行流场信息的传递。计算方法采用低速预处理方法消除可压缩方程在处理低速问题时的刚性,同时结合旋转坐标系方法考虑风力机旋转效应,进行风力机低速问题数值模拟研究。另外,在Phase VI叶片的计算中,通过笛卡尔网格的局部加密来捕捉尾涡。通过与实验数据及他人数值计算的结果进行对比分析,结果表明该文开发的这套基于混合笛卡尔网格的低速求解器能较为准确模拟风力机叶片轴流状态的流场,并能准确捕捉叶尖涡和叶根涡在风力机下游的发展。

基于混合笛卡尔网格的流动偏转器数值研究

采用混合笛卡尔网格(Hybrid Cartesian Grid,HCG)方法对流动偏转器进行了数值模拟和参数优化。混合笛卡尔网格由背景笛卡尔网格和贴体结构网格结合而成。通过计算加装流动偏转器的二维NACA0012翼型流场,并与干净翼型流场对比,验证了流动偏转器能有效控制流动分离、抑制失速的产生。最后采用基因算法对流动偏转器参数进行优化,较大的提高了翼型升力系数;同时充分体现了混合笛卡尔网格方法在处理多物体外形结构上方便、高效的特点。

基于混合笛卡尔网格的高精度格式研究

将格点形式的新型三阶U-MUSCL格式推广到格心形式的混合笛卡尔网格中,发展了一套基于混合笛卡尔网格的高精度数值算法。根据不同的系数取值,新型三阶U-MUSCL格式甚至能达到四阶精度。该格式不仅对现有求解器的改动较小,而且不需要构造插值模板,同时也不需要在网格单元内构造额外的高阶多项式,不会增加较大的计算量。通过数值涡的保持问题和二维非定常圆柱绕流问题,表明了该格式对于旋涡流动具有很低的耗散性。

二维多段翼型网格生成与数值模拟研究

为提高多段翼型的网格生成效率和数值模拟精度,发展了一套自适应混合笛卡尔网格(AHCG)生成方法和基于有限体积方法的雷诺数平均Navier-Stokes(RANS)的数值求解技术。混合笛卡尔网格由围绕物体几何外形的贴体结构网格和填充流场其他区域的笛卡尔网格构成,两套网格之间的信息传递由"贡献单元"提供,且"贡献单元"由基于ADT(Alternating digital tree)技术的搜寻方法获得。为更准确地捕捉流场信息,采用了基于流场特征的网格自适应技术。数值模拟结果显示,AHCG方法能够准确且高效地模拟高升力多段翼型绕流问题。

非定常旋涡-翼型相互作用问题数值模拟研究

针对直升机旋涡-桨叶相互作用问题,以其二维简化模型旋涡-翼型相互作用问题为研究对象,发展了基于雷诺平均Navier-Stokes方程和自适应混合笛卡尔网格的流场数值模拟方法,通过给定合适的自适应判据,动态网格自适应技术能够准确捕捉旋涡位置和保持旋涡强度。通过两类旋涡-翼型相互作用问题的数值模拟研究,揭示了旋涡与翼型相互作用过程中产生的复杂流动现象和非定常气动力变化。数值模拟结果与相关文献中的试验数据和数值计算结果吻合,且对三维桨叶的气动载荷研究和振动分析具有指导意义。