三点强紧致加权高分辨率高阶格式及其应用

本文分别给出了采用有限体积计算时采用高阶格式遇到的网格单元体界面上三阶、四阶与五阶格式精度下的数值通量表达式,并且给出了确定权函数过程中所遇到的光滑因子表达式．文中首先对模型方程进行了格式分辨率方面的检验,然后将格式用于某涡轮级的实际流场计算．数值结果表明:所给出的高分辨率、高阶格式具有较高的激波分辨率并且具有较高的数值精度,在计算流场时,它可以用较少网格点去取代普通低阶精度格式下所采用的较密网格．

基于高阶格式的高精度化学驱模拟

油藏数值模拟的精度取决于网格尺寸,网格越小,模拟结果的精度越高,结果越趋近于收敛。大尺寸网格往往伴随着严重的数值扩散现象。化学驱作为一种复杂的提高采收率过程,由于其复杂的机理(如乳液的相态变化),往往需要很小尺寸的网格以获得精确的模拟结果。本文重点探讨使用高阶格式来改进化学驱模拟的精度。首先对提高油藏数值模拟精度的主流方法进行了全面的分析,包括网格粗化方法、自适应网格加密方法和高阶格式方法。考虑到化学驱模拟的特点,本文选用高阶格式方法对化学驱模拟的精度进行改进提升。随后测试了一维、二维和三维矿场尺度的ASP三元复合驱模拟问题,结果发现模拟的精度高度依赖于所用的网格尺寸。为了获得接近收敛的结果,化学驱所需的网格尺寸远小于水驱模拟。一维化学驱中,网格越粗,表面活性剂分布越"平均化",最终采收率越低。使用二阶和三阶格式,一维、二维和三维矿场尺度三元复合驱模型测试的模拟精度均有大幅提升。使用较粗的网格及高精度格式,即可获得与细网格类似的精度。高精度格式为降低数值黏性、提高精度、降低模拟所需网格数和计算时间,提供了有效的解决办法。该方法也有助于大型油田化学驱的快速精确数值模拟、历史拟合、优化等技术的顺利实施。

CFD中高阶格式的分区并行计算研究

结合高阶WENO格式和分区并行方法 ,在基于MPI平台的COWs和MPP上实现了CFD高阶格式的分区并行计算。高阶格式具有在光滑区高阶、间断区高分辨率等优点 ,但计算量较大 ;分区的方法能够有效地将CFD问题划分成可并行执行的交互式子问题 ,提高计算速度。通过典型计算可以看出 :算法不但保持了高阶WENO格式的优良性质 ,而且减少了程序运行的墙上时间。

高阶精度非线性加权格式权函数研究综述

在简述用于捕捉间断的非线性格式发展历程的基础上,依托五阶精度WENO格式,介绍了非线性加权格式在候选模板集选取、光滑度指标计算方法及其与非线性权的函数关系等方面做出的努力。对于非等宽候选模板集的情况,给出了保证非线性加权格式精度的非线性权的量阶关系,强调了光滑度指标计算方法对格式精度和效率的重要性,提出了进一步开展多宽度模板集非线性加权格式研究的建议。

求解对流扩散反应方程的高阶指数型组合紧致差分格式

针对一维对流扩散反应方程,基于对流扩散方程的四阶指数型紧致差分格式,采用四阶混合差分逼近算子和Padé公式,间接地构造了两种求解一维对流扩散反应方程的四阶指数型组合紧致差分格式;针对二维对流扩散反应方程,采用降维法,结合高阶混合差分逼近算子和Padé公式构造了求解二维对流扩散反应方程的四阶指数型组合紧致差分格式.本文所提差分格式较经典四阶格式和文献中的组合型格式具有更低的耗散性,因此对于对流占优等边界层问题的求解计算精度更高.最后给出数值算例验证了本文格式的精度.

非线性二维Volterra积分方程的一个高阶数值格式

对非线性二维Volterra积分方程构造了一个高阶数值格式.block-byblock方法对积分方程来说是一个非常常见的方法,借助经典block-by-block方法的思想,构造了一个所谓的修正block-by-block方法.该方法的优点在于除u(x_1,y),u(x_2,y),u(x,y_1)和u(x,y_2)外,其余的未知量不需要耦合求解,且保存了block-by-block方法好的收敛性.并对此格式的收敛性进行了严格的分析,证明了数值解逼近精确解的阶数是4阶。

一种求解不可压粘性流动的高阶精度迎风格式的应用

本文应用人工可压缩性方法和高阶迎风差分格式相结合的方法 ,进行不可压缩粘性流动的数值计算 ,通过对典型算例的研究 ,表明高阶格式可以在网格较少的情形下获得较高的精度 。

非线性Volterra积分方程组的一个高阶数值格式

对非线性Volterra积分方程组构造了一个高阶数值格式.借助经典block-by-block方法,构造了一个所谓的修正block-by-block方法.方法除第1,2层外,每一步的解层与层之间都不需要耦合求解,并且保存了block-by-block方法好的收敛性.对此格式的收敛性进行了严格的分析,证明数值解逼近精确解的阶数是4阶.

初值奇异性非线性分数阶常微分方程的高阶数值方法

考虑非线性分数阶常微方程高阶格式的精确解具有初值奇异性,从而引入初值变量和逐块方法,再利用拉格朗日插值公式,提出一种新的高阶数值格式。该高阶数值格式为非光滑解条件下的5+α阶。

五阶KdV方程的高阶有限差分格式

利用Taylor展开法,分别给出了求解五阶KdV方程的九点四阶和七点二阶有限差分格式.前者在空间上具有四阶精度,在时间上具有二阶精度,后者具有时空二阶精度.数值算例将2个格式进行了比较并验证了格式的精度阶.此外,数值算例给出了2个单孤立波碰撞的情况.

广义Burgers方程声爆传播模型高阶格式离散

声爆预测技术是研制新一代环保型超声速民机的关键技术之一。针对当前基于广义Burgers方程的声爆远场传播模型的数值求解格式精度较低的情况,开展了高阶格式离散方法研究。通过分析该模型中各效应项的物理性质,应用合适的高阶精度格式对各项分别进行离散求解,并采用经典几何声学射线法计算声爆传播路径,实现了对地面声爆波形的精准预测。通过对美国F-5E机型的声爆飞行试验和第二届国际声爆预测研讨会的典型算例进行数值模拟,验证了本文高阶离散方法的可靠性。进一步的结果分析表明,采用高阶离散格式的预测方法相比传统二阶精度预测方法具有明显的低耗散特性,在同等网格数目上可获得更高分辨率的计算结果,且其网格收敛性远优于传统二阶精度格式,同时在计算效率上也有一定优势;在Burgers方程的各效应项中,非线性项的影响更为明显,因而采用高阶离散格式时其优势更为突出;热黏性吸收项对数值结果影响较小,采用高阶离散格式对计算精度的提升效果也不明显,实际计算中仍可以采用传统离散格式,甚至忽略该项的贡献。

基于非结构/混合网格的高阶精度格式研究进展

尽管以二阶精度格式为基础的计算流体力学(CFD)方法和软件已经在航空航天飞行器设计中发挥了重要的作用,但是由于二阶精度格式的耗散和色散较大,对于湍流、分离等多尺度流动现象的模拟,现有成熟的CFD软件仍难以给出满意的结果,为此CFD工作者发展了众多的高阶精度计算格式.如果以适应的计算网格来分类,一般可以分为基于结构网格的有限差分格式、基于非结构/混合网格的有限体积法和有限元方法,以及各种类型的混合方法.由于非结构/混合网格具有良好的几何适应性,基于非结构/混合网格的高阶精度格式近年来备受关注.本文综述了近年来基于非结构/混合网格的高阶精度格式研究进展,重点介绍了空间离散方法,主要包括k-Exact和ENO/WENO等有限体积方法,间断伽辽金(DG)有限元方法,有限谱体积(SV)和有限谱差分(SD)方法,以及近来发展的各种DG/FV混合算法和将各种方法统一在一个框架内的CPR(correction procedure via reconstruction)方法等.随后简要介绍了高阶精度格式应用于复杂外形流动数值模拟的一些需要关注的问题,包括曲边界的处理方法、间断侦测和限制器、各种加速收敛技术等.在综述过程中,介绍了各种方法的优势与不足,其间介绍了作者发展的基于"静动态混合重构"的DG/FV混合算法.最后展望了基于非结构/混合网格的高阶精度格式的未来发展趋势及应用前景.

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。

一种可压缩流动的高阶加权紧致非线性格式(WCNS)的加速收敛方法

以高超声速粘性绕流的数值模拟为例,研究LU-SGS、高斯-赛德尔点松弛、线松弛以及GMRES等隐式求解方法在空间项采用高阶精度格式WCNS离散时的收敛性,并对GMRES(generalized minimal residual)方法中的子迭代影响作了对比计算.结果表明,采用准确的解析雅克比矩阵的点、线松弛的收敛速度优于LU-SGS,以线松弛为预处理的GMRES算法具有良好的收敛特性.

高阶加权紧致非线性格式(WCNS)在二维流动计算中的加速收敛研究

以二维圆柱超声速无粘和粘性绕流的数值模拟为例,空间项采用高阶精度格式WCNS离散,对比研究了LU-SGS、高斯-赛德尔点松弛、线松弛以及GMRES等隐式求解方法的收敛性,并对右端项中的无粘通矢量、GMRES方法中的预处理和子迭代等影响作了对比计算。结果表明,右端项采用Steger-Warming无粘通矢量的收敛性优于其他通失量方法,采用了准确的解析雅克比矩阵的点、线松弛的收敛速度优于LU-SGS,以线松弛为预处理的GMRES算法具有良好的收敛特性。

基于高阶和高分辨率格式的自然空泡流数值模拟

基于有限体积通量修正,应用了一类高阶迎风对流格式:二阶迎风格式、二次迎风插值格式、三次迎风插值格式及带TVD限制器的高分辨率格式,对于自然空泡湍流流动的数值计算方法进行了研究。计算模型为轴对称圆盘,计算结果表明所有高阶格式都能有效抑制一阶迎风格式产生的假扩散,并得到了更薄,更"透明"的汽-液界面,其中高分辨率TVD格式最好地捕捉到了空泡界面附近物理量的阶跃特性。

2维Schrdinger方程的高阶紧致ADI格式

利用4阶精度紧致格式离散1维Schrdinger方程的空间方向,并推广到2维Schrdinger方程问题.在时间方向用P-R ADI方法离散,经理论分析证明该格式具有高精度性、省时性和绝对稳定性,并证明该格式还保持离散的电荷守恒律以及能量守恒律,最后通过数值实验数据验证该格式的高效性和理论分析的正确性.

1维非定常对流扩散方程的有理型高阶紧致差分格式

针对1维非定常对流扩散方程,首先建立了1种2层有理型高阶紧致差分格式,其局部截断误差为O(h4+τ2).然后采用von Neumann分析方法证明了该格式是无条件稳定的.由于在每个时间层上只涉及到3个网格点,因此可直接采用追赶法求解此差分方程.最后通过3个数值算例验证了方法的精确性和可靠性.数值结果表明:所述格式不仅能够适用于非定常对流扩散问题,而且能够较好地求解非定常纯对流问题或纯扩散问题,并且其计算效果均优于Crank-Nicolson(C-N)格式和指数型高阶紧致(EHOC)差分格式.

高阶FD-WENO格式在数值求解Rayleigh-Taylor不稳定性问题中的应用

用高阶加权本质上无振荡有限差分格式(FD-WENO),求解重力作用下高密度比二维流体界面Rayleigh-Taylor不稳定性问题及激光烧蚀Rayleigh-Taylor不稳定性问题,均获得较为理想的数值结果.

高阶WENO格式数值粘性对模拟R-T不稳定性的影响

利用3、5、7和9阶精度WENO格式求解二维无量纲Euler和Navier-Stokes方程对可压缩流体中的Rayleigh-Tay-lor不稳定性进行了数值模拟.通过研究该不稳定性后期激发出的Kelvin-Helmholtz不稳定性的强弱,详细分析了数值粘性和物理粘性对数值解的影响.计算结果表明,无粘情况下,格式精度和网格数量决定了数值流场的细微结构,高精度密网格得到的数值解通常是非物理的;有粘情况下,当格式固有的数值粘性远小于物理粘性时,所得到的数值解一般是可信的.