不同马赫数的无粘和粘性流动高阶精度隐式计算方法

应用隐式时间推进法对不同马赫数的无粘和粘性流动进行数值分析 ,给出了基于预处理方法的高阶精度隐式求解方法。方程离散采用改进的高阶精度对流迎风分裂格式。该方法通过求解曲线坐标系可压缩Euler和 Navier-Stokes方程 ,对低速到超音速范围内的无粘和粘性流动的典型问题进行了数值分析。计算结果与文献的数值结果或实验数据对比分析表明 。

一种基于块雅可比迭代的高阶FR格式隐式方法

最近,基于非结构网格的高阶通量重构格式(flux reconstruction,FR)因其构造简单且通用性强而受到越来越多人的关注.但将FR格式应用于大规模复杂流动的模拟时仍面临计算开销大、求解时间长等问题.因此,亟需发展与之相适应的高效隐式求解方法和并行计算技术.本文提出了一种基于块Jacobi迭代的高阶FR格式求解定常二维欧拉方程的单GPU隐式时间推进方法.由于直接求解FR格式空间和隐式时间离散后的全局线性方程组效率低下并且内存占用很大.而通过块雅可比迭代的方式,能够改变全局线性方程组左端矩阵的特征,克服影响求解并行性的相邻单元依赖问题,使得只需要存储和计算对角块矩阵.最终将求解全局线性方程组转化为求解一系列局部单元线性方程组,进而又可利用LU分解法在GPU上并行求解这些小型局部线性方程组.通过二维无黏Bump流动和NACA0012无黏绕流两个数值实验表明,该隐式方法计算收敛所用的迭代步数和计算时间均远小于使用多重网格加速的显式Runge-Kutta格式,且在计算效率方面至少有一个量级的提升.

BLU-SGS方法在WCNS高阶精度格式上的数值分析

高阶精度计算方法的收敛效率是目前CFD重要的研究内容之一。应用多块对接结构网格技术,基于雷诺平均的Navier-Stokes方程(RANS)和五阶空间离散精度的显式加权紧致非线性格式(WCNS-E),针对NLR7301两段翼型和Trap Wing梯形翼两个低速算例,重点研究了BLU-SGS迭代方法应用于WCNS-E高阶精度格式上的收敛效率问题。通过与LU-SGS迭代方法收敛效率和计算结果的比较,研究结果表明:BLU-SGS迭代方法的收敛效率明显优于LU-SGS迭代方法;对于收敛的流场,BLU-SGS迭代方法的计算结果与LU-SGS方法的结果基本相同。

基于预处理HLLEW格式的全速域数值算法

基于HLLEW(Harten-Lax-Van Leer-Einfeldt-Wada)格式引入预处理技术发展适合求解全速域流场的三维Navier-Stokes求解器.引入低速预处理技术,重新构造HLLEW格式的耗散项,给出预处理后的HLLEW格式,并根据预处理后的雅克比矩阵构造相应的隐式时间推进方程.利用预处理方法求解NACA 4412低速不可压流动与RAE 2822跨声速可压缩流动,并与实验结果及原有方法的计算结果对比.结果表明:预处理HLLEW格式不仅提高低速不可压缩流动的计算效率和精度,也保持了对可压缩流动的处理能力,是一种适用于全速域流场数值模拟的有效方法.

基于两方程湍流模型的N-S方程数值计算研究

文中讨论了雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程组与湍流模型方程的统一求解技术。在有限体积方法框架下,采用迎风格式进行空间离散,时间推进则分别采用显式Runge-Kutta方法和LU-SGS隐式推进方法。通过数值模拟NACA0012和RAE2822翼型的跨音速流场,对文中方法进行了验证。

亚、跨、超音速及不可压流动的数值分析方法的研究

为了对亚、跨、超音速及不可压无粘流动进行数值模拟 ,将 L U- SGS方法与预处理方法结合 ,给出了 PL U- SGS方法。方程离散基于有限体积法 ,采用高阶精度 AUSMPW格式。方程求解采用了特征边界条件。通过典型算例的数值试验对比分析 ,表明 PL U- SGS方法可以有效地对亚、跨、超音速及不可压流动进行数值模拟 。

基于预处理方法的流动数值分析

以预处理方法为基础 ,采用了有限体积法 ,并将高精度高分辨率迎风格式与隐式时间推进法 LU- SGS格式结合 ,对低速到超音速范围内的流动进行数值分析。为了提高 AUSMPW+ 格式的计算精度 ,采用了三阶 MUSCL格式。为了验证本文方法对低速到超音速范围内的无粘和粘性流动的数值分析效果 ,对几个典型算例进行了数值试验。本文的数值结果与文献计算结果和实验数据基本一致 ,表明本文方法可以有效地对低速到超音速范围内的流动进行数值分析。

不同马赫数Navier-Stokes方程计算方法的研究

为了在低马赫数到高马赫数范围内求解可压缩Navier_Stokes方程 ,给出了基于预处理算法的PLU_SGS方法· 将高分辨率AUSMPW格式与三阶MUSCL格式融合 ,将其扩展到三阶精度 ,并采用特征边界条件· 为了验证该方法的有效性 ,通过求解曲线坐标系可压缩Navier_Stokes方程 ,对几个典型流动问题进行了数值计算· 计算结果与文献计算结果或实验数据比较表明 ,该方法对不同马赫数Navier_Stokes方程的计算 。

二维非结构网格Euler方程高效解法

在非结构网格上应用多重网格技术加速Euler方程的收敛,在多重网格中通过聚合法进行粗网格生成,并对粗网格中的多边形网格做了等价面处理。在空间离散上采用Roe格式,在时间推进上分别采用了显式和隐式算法。通过对NA-CA0012翼型和RAE2822翼型的流场模拟,比较了显式多重网格法和隐式多重网格法的计算效率。

基于非结构网格的涡轮气热耦合数值方法研究

利用课题组自主开发的三维非结构隐式N-S计算软件CU_Turbo,采用气热耦合计算方法,对MarkⅡ内冷径向涡轮导向叶片、带气膜冷却涡轮导叶MT1的流场和温度场进行了数值模拟。计算过程中,隐式时间推进中Jacobi ans矩阵采用对Roe通量的一种近似方法求解。结果表明,计算值与试验值吻合良好,验证了气热耦合计算方法的实用性和有效性,为涡轮工程设计提供了一种新的计算分析方法;涡轮叶片通道内附面层的不同流动状态及气膜冷却,对当地换热都有很大的影响。

非精确Newton方法中线性迭代收敛判据研究

在计算流体力学中,采用隐式时间推进方法时通常需要采用Newton类迭代方法求解大型非线性离散系统。每步非线性迭代需求解由非线性系统Jacobian矩阵组成的大型线性方程组,其中线性方程组求解误差会对非线性系统的收敛性产生显著影响,然而对存在Jacobian矩阵误差情况下的线性迭代收敛判据缺乏深入的研究。本文针对上述问题,首先给出了存在Jacobian矩阵误差和线性迭代误差情况下Newton迭代式的形式,并通过数值测试验证了Jacobian矩阵误差对迭代产生较大影响的可能性;其次对常见的两种不同类型的线性迭代收敛判据进行了数值测试,重点研究了存在Jacobian矩阵误差情况下容易产生的过度求解问题;最后,结合上述两类判据的特点发展了一种新的线性迭代收敛判据,结果表明:新提出的迭代收敛判据能够有效缓解过度求解问题,从而提高计算效率。

基于高阶耗散紧致格式的GMRES方法收敛特性研究

计算效率较低是当前限制高阶精度计算方法应用的重要因素。为了提高高阶精度混合型耗散紧致格式(HDCS)的计算效率,发展了适合多块对接网格的广义最小残值(GMRES)方法,并利用GMRES方法开展了HDCS格式的加速收敛研究。首先研究了GMRES的预处理方法、CFL数和内层迭代步数对HDCS数值模拟收敛特性的影响,计算结果显示:点松弛方法是一种高效的预处理方法;CFL数对计算收敛速度影响较大;GMRES方法存在最优的内层迭代步数。利用GMRES方法完成了NACA 0012翼型绕流、NLR 7301翼型绕流和DLR-F4翼身组合体绕流的数值模拟,并与其他隐式时间推进方法进行了对比,GMRES方法计算更加稳定,并且计算效率相对LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)方法可以提高5倍以上。研究结果表明,本文发展的GMRES方法在多块对接网格中具有良好的计算稳定性,计算结果的残差可以收敛到更低的量级,并且可以较大幅度地提高高阶精度数值模拟的计算效率。

时域谱方法用于内流非定常流动计算

该文研究了使用谱方法进行内流周期性非定常计算的可行性及计算效率。在文中提出使用隐式时间推进方法求解相应的控制方程,用以加速收敛,并对计算方法的稳定性和无反射边界条件处理方法等进行了研究。使用时域谱方法对内流气动声学基准算例和二维喷管算例进行了计算。结果表明对周期性非定常流动,相对于常规的非定常时间推进方法,使用谱方法来逼近物理时间偏导数项可以提高计算精度并减少计算耗时,从而可以将其用于叶轮机械非定常流动计算。

一种适用于三维混合网格的GMRES加速收敛新方法

为提高流场计算收敛效率,发展了一套适用于三维混合网格Naiver-Stokes方程求解的并行广义最小残差(GMRES)隐式时间推进方法。该方法由科学计算可移植扩展工具包(PETSc)中的Krylov子空间求解器实现,线性方程系统中的系数矩阵直接以显式给出以提高算法的稳定性。为进一步提高GMRES方法的收敛速度,对非结构网格的序号进行了重排序,使得系数矩阵的非零元素尽量向主对角线靠近。利用所发展的GMRES方法,完成了对ONERAM6机翼、AIAA阻力预测会议通用研究模型(CRM)等算例的计算,计算结果与试验结果吻合良好。通过与其他隐式推进方法进行比较,对算法的收敛特性进行了研究。结果表明,所发展的GMRES方法计算更加稳定,残差下降速度相对LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)方法更快,尤其是气动力系数向着收敛解逼近的速度更加明显,提高了计算效率。