全自动超声速流动计算架构及实现

实现CFD计算流程中网格生成及计算流程的自动化,能显著提高CFD仿真效率,具有重要应用价值。以扎染算法为基础的全自动CFD模拟技术架构,实现输入实体模型后无须几何清理,即可自动生成网格、快速开始无黏超声速流场计算的功能。通过二维数值算例验证了该技术的计算精度和非结构有限体积法相当,但计算效率明显提升;开发出基于手绘模型实时开始计算的Auto-CFD软件,理论上能对二维任意外形进行全自动模拟计算;将该技术从二维空间推广到三维,以激光扫描汽车得到的不规则点云作为外形演示了本技术对复杂外形问题的适应能力。基于扎染算法发展的Auto-CFD技术架构,兼容主流差分格式,具有良论文拓展好的网格适应性,有望解决现有Auto-CFD软件存在的技术问题。

Numerical study on ship-generated unsteady waves based on a Cartesian-grid method

The added resistance of a ship in waves can be related to ship-generated unsteady waves.In the present study,the unsteady wave-pattern analysis is applied to calculate the added resistance in waves for two modified Wigley models using a Cartesian-grid method.In the present numerical method,a first-order fractional-step method is applied to the velocity-pressure coupling in the fluid domain,and one of volume-of-fluid(VOF)methods is adopted to capture the fluid interface.A ship is embedded in a Cartesian grid,and the volume fraction of the ship inside the grid is calculated by identifying whether each grid is occupied by liquid,gas,and solid body.The sensitivity to the location of measuring position of unsteady waves as well as the number of solution grids is examined.The added resistance computed by direct pressure integration and wave pattern analysis is compared with experimental data.In addition,nonlinear characteristics of the added resistance in waves are investigated by detailed analyses of unsteady flow field and resulting wave pattern.

笛卡尔网格下不同湍流模型的壁面函数方法研究

自适应笛卡尔网格湍流模拟时,网格数目呈雷诺数的指数方量级增长,带来网格规模“灾难”问题。壁面函数方法可以将壁面第一层网格尺度放宽1~2个量级,是有效的解决办法之一,然而,由于笛卡尔网格的非贴体特性,壁面函数的实现及其与不同湍流模型的匹配是关键。针对这一问题,从经典的Spalding壁面函数出发,采用显式赋初值的方式,解决了壁面摩擦速度迭代求解初值敏感及分层壁面函数速度不光滑问题;基于切应力恒定的壁面条件,构造了多层虚拟网格的切向速度和湍流粘性系数,实现了笛卡尔网格下的壁面函数方法;采用结构系综理论,通过DNS数据标定,构造了湍动能随湍流粘性比率变化的关系式,实现了壁面函数与KDO湍流模型的匹配,并以平板T3b、湍流凸包和跨音速NACA0012翼型绕流为算例,与常用的SST、SA湍流模型壁面函数方法进行了对比分析。结果表明:该文提出的KDO湍流模型壁面函数法准确、可靠,且因其形式简单、计算量相对较小,有较大的推广应用价值。

艏部构型对内倾船型运动响应和上浪砰击压力的影响研究

内倾船型的艏部构型对船舶在波浪中的运动和上浪载荷特性具有一定的影响。本文基于艏柱倾斜角度选取了倾角为30°、45°和60°的三种艏部构型方案,采用中国数值水池-直角网格有限差分方法(CNTCGFDM),研究了在不同的艏部构型方案下内倾船型在规则波中的运动响应以及甲板上浪载荷特性。其中物体边界及运动的模拟采用浸没边界法来实现,并利用THINC/SW方法来捕捉自由液面。选取艏柱倾角为45°和60°的船型进行模型试验研究,与试验值相比,本文的数值模拟结果吻合良好。结果表明:艏部构型对内倾船型在规则波中的运动响应总体上影响较小,只在某些海况下表现出一定的局部差异,但对内倾船型的上浪砰击载荷则有一定的影响,相较于倾角为30°和60°的构型方案,艏柱倾角为45°的内倾船型在甲板上浪中的载荷性能更加优异。

复杂等离子体光子晶体能带结构计算

等离子体光子晶体是由等离子体和其他介电材料或者真空构成的,具有周期性结构,其可调控的带隙特性使得等离子体光子晶体在滤波器、等离子体隐身衣和等离子体透镜等军事医学器件制造上具有广泛的应用。因此,通过改变等离子体的密度、温度等参数来获取满足特定需求的能带结构特性便有着非常重要的意义。基于上述考虑,提出Petrov-Galerkin有限元计算方法来求解并分析等离子体光子晶体的带隙特性。该方法的核心思想是构造在边界上系数互为倒数的基函数和测试函数所构成的空间,在消除边界上积分的同时降低自由度。采用的网格为半笛卡尔投影网格,该网格能适应复杂等离子体柱形状。在建立弱形式时将界面非线性连续条件线性化,简化了界面积分项的处理。通过绘制数值算例的能带结构图,分析验证了等离子体电子密度、等离子体光子晶体柱的填充率和形状等因素对带隙宽度、带隙位置、耦合带隙以及截止频率造成的影响,从而实现等离子体光子晶体能带结构的可调控性。

复杂外形下网格自动生成及流场计算新框架

针对计算流体力学工程应用中复杂外形下贴体网格难以全自动生成的问题,介绍了一种全新的自动化网格生成及计算新框架。新框架包括网格线允许交错的贴体网格生成、计算模板自由选点的差分计算和差分计算中坐标变换几何诱导误差消除等3个算法模块,实现从物面水密网格导入到流场计算结果输出的全流程自动化处理。网格生成算法从物面点矢量出发,根据给定的贴体网格层高、增长倍率、层数等参数一次性生成贴体网格,删除重叠部分网格,并重构出自由节点有限差分法计算需要的计算模板;自由节点有限差分法利用重构的计算模板,完成流场参数的差分求解;坐标变换几何诱导误差消除算法用于消除差分计算中从物理平面变换到计算平面时引入的几何诱导误差,实现保自由流,提高计算精度。验证结果表明,新框架在复杂外形下能够自动生成网格,显著提高了网格生成效率,同时计算精度与常规方法计算精度相当,具备工程实用价值。

基于直角网格的海洋平台波浪砰击预报方法研究

由于海洋平台砰击过程中可能出现波浪破碎等现象,波浪砰击载荷预报是海洋平台数值模拟的难点。本文基于直角网格方法,建立了适用于模拟海洋平台波浪砰击过程的三维数值模型。在介绍模型数值方法基础上,首先对模型造波与消波精度进行了验证;其次,对某半潜式平台进行模拟,以验证模型模拟波浪砰击过程的准确性;最后,利用该模型对某四柱海洋平台波浪砰击过程进行了研究。结果表明,当前模型可以较好地模拟海洋平台波浪砰击过程中的波浪破碎、爬升和砰击等现象。

计算流体力学中的网格生成方法及其应用

讨论了多种网格生成方法及其流场的数值模拟。给出了一种生成现代双立尾战斗机外形的分区对接网格和Ｅｕｌｅｒ方程分区解。给出了一种带副翼偏转的三维机翼分区网格及绕流的Ｅｕｌｅｒ方程解。以二维多段翼型为对象分别讨论了分区重叠结构网格方法、非结构网格方法和自适应的笛卡尔网格法。

PEBI网格二维两相流数值模拟

油藏数值模拟中广泛采用的笛卡尔网格在描述地质条件复杂的油藏时存在很大的局限，并且笛卡尔网格有限差分法数值模拟存在严重的网格取向效应。文中采用ＰＥＢＩ网格，吸取了有限元方法的优点，可以逼近任意油藏形状，便于局部加密和应用窗口技术，可以减小网格取向效应；同时吸取有限差分的正交性特点，便于计算机实现。文中给出了控制体有限元方法的差分方程，提出一种三角形划分和ＰＥＢＩ网格自动生成的方法，设计两个模型进行了二维单相流、二维油水两相流数值模拟。计算结果表明，ＰＥＢＩ网格模拟近井问题用较少的网格取得了较高的精度，与解析解吻合较好；在油水流度比较大的情况下，ＰＥＢＩ网格的取向效应比有限差分五点格式明显小。

基于Euler方程的三维自适应笛卡尔网格应用研究

本文采用非结构自适应笛卡尔网格和有限体积法求解了三维Euler方程。在网格生成过程中,采用了基于模型几何数据、模型表面曲率和流场特征为基础的网格自适应生成及加密方法,采用模型特征恢复技术保证了计算模型与原始外形的一致。在计算中,将以中心差分为基础的Jameson有限体积法在三维笛卡尔网格中进行了推广。本文中对导弹、歼击机等复杂问题进行了数值实验,计算结果与风洞实验结果符合良好,并在工程实际中成功应用。

网格生成和数值模拟的讨论

讨论了多种网格生成方法及其数值模拟。给出了一种生成多部件复杂外形飞行器分区网格和Ｅｕｌｅｒ方程分区解。讨论了前缘分离涡为主体的旋涡流场。作了跨声速流分区并行计算的初步尝试。给出了一种二维非结构网格的生成方法。对自适应的笛卡尔网格法作了初步探讨。

基于混合PEBI网格的复杂井数值模拟应用研究

针对笛卡儿正交网格在描述复杂井型以及复杂油藏边界时存在的局限性,提出了综合运用径向网格、笛卡儿网格和六边形PEBI网格的混合PEBI网格计算方法。该方法中,在直井区域采用径向网格,可实现网格体积由小到大的变化;在复杂井区域采用笛卡儿网格,可充分把握井筒附近的流动状态;在油藏区域采用六边形PEBI网格,可更好地逼近复杂油藏边界和断层的形态。应用结果表明,混合PEBI网格具有高度的灵活性,与有限差分五点格式相比,有效降低了网格取向效应,能够满足精细油藏数值模拟的要求。

三维直角叉树切割网格Euler方程自适应算法

基于叉树数据结构,实现了一种用于三维直角叉树切割网格的自适应算法,包括对几何外形,以及对流场计算的自适应网格加密技术。在初始网格的生成过程中,根据相邻网格的物面法向向量间的差值,进行针对外形的自适应网格加密;在流场计算中,根据相邻网格间选定物理量梯度的变化,进行针对流场的自适应网格加密。详细地描述了三维直角叉树切割网格的生成过程,以及对任意网格的切割细分算法。在自适应过程中,分别采用了八叉树和全叉树的数据结构,八叉树是基本的数据结构,而全叉树的采用,使网格具有了各向异性的特征,从而大大的减少了自适应网格的数量。采用中心有限体积法,求解Euler方程,并运用上述方法,完成了对外形和流场的自适应网格加密算法,获得了较好的数值计算结果,证明了自适应算法的正确性,体现了直角叉树切割网格自适应技术的有效性和实用性。

基于有限体积格式的自适应笛卡尔网格虚拟单元方法及其应用

基于自适应笛卡尔网格,结合虚拟单元方法处理浸入边界,发展了一种有限体积格式实现模式,数值模拟了二维无粘可压缩流动。本文发展的方法相对于传统的有限差分方法具有执行效率快,易于获得守恒性等优点。最后,利用一些标准算例和多物体流场的计算问题验证了算法的有效性。

基于STL文件的笛卡尔网格生成方法研究

采用从STL文件中直接获取模型几何数据的方法,利用ADT数据结构快速剔除相同顶点,提出一种新的“推进查找”方法替代以往网格单元是否在物面内部的判定方法,避免了对物面的自封闭要求,无需进行几何重构,直接完成网格生成,更进一步提高了自适应笛卡尔网格生成速度和自动化程度,为实现CAD与CFD的之间的数据对接提供了一种新的方式。

固体火箭发动机装药燃面计算方法

通过引入残值函数记录燃面位置,在笛卡尔离散网格上运用惠更斯原理进行燃面显式推移,实现了固体火箭发动机三维复杂药柱的燃面推移模拟和燃面计算功能;采用此算法分别对具有复杂几何构型的药柱和由不同燃速特性的推进剂构成的药柱进行燃面推移模拟。结果表明,此算法精度高、稳定性好,可准确捕捉燃面交汇、分离、消失等复杂拓扑结构变化,适用于复杂装药的燃面计算。

自适应笛卡尔网格Ghost Cell方法研究

在笛卡尔网格中,利用Ghost Cell方法处理浸入边界,模拟二维无粘可压缩流。针对静止物体,比较了各种不同的Ghost Cell边界条件下的熵误差,总压误差,以及阻力系数。此外为提高激波分辨率,将Ghost Cell方法与基于叉树结构的自适应笛卡尔网格算法相结合,数值结果显示本文的方法是切实可行的。

稀薄过渡流区横向喷流干扰效应数值模拟研究

为了准确预测稀薄过渡流区横向喷流与稀薄大气的干扰流动特征,本文在建立直角与表面非结构网格混合结构的DSMC数值算法以及碰撞网格自适应算法基础上,提出基于MPI的静态随机负载平衡技术,构建了DSMC并行计算代码。计算的不同压力比条件下三维平板模型横向喷流与稀薄大气干扰的分离长度与低密度风洞试验有较好的一致性,验证了本文算法的可靠性。开展了细长钝双锥外形高超声速稀薄来流与超声速/高超声速横向喷流干扰效应的研究,计算分析了不同飞行高度、不同飞行速度、不同飞行攻角、不同喷流推力下复杂流场结构和对气动力特性的影响规律。考察了RCS喷管出口参数不同(均匀/非均匀)对喷口附近分离涡和分离长度的影响。

一种求解N-S方程的自适应直角网格方法

提出了一种用直角网格表达背景、切削网格表达边界的非结构化自适应直角网格方法.该方法采用四叉树保存网格数据,将切削简化成6种类型,用速度的旋度和散度作为自适应加密标准,从而可实现任意二维区域网格的自动生成和自适应加密.通过将极小网格边界化处理,利用SIM-PLE算法处理速度和压力的耦合,实现了该网格上N-S方程的离散和求解.算例表明,该方法网格生成简单,可以用于任意形状上的流动和传热模拟,相比非自适应方法,用一半的网格数目即可达到相同的计算精度.

基于两级直角网格结构的三维DSMC算法研究

结合直角网格计算的高效率以及表面非结构网格对飞行器几何外形的精细描述,本文建立了基于两级直角坐标网格结构的DSMC数值模拟算法。一级网格为计算区域离散后的背景网格,二级网格为独立的碰撞网格和取样网格,是在背景网格的基础上根据流场性质的变化经过自适应后获得的亚网格,碰撞分子对在亚网格内选取,以保证选取的分子是"最相邻的"。计算的Orion飞船外形从自由分子流到稀薄过渡流的气动力系数,与DS3V和DAC软件计算结果的一致性非常好,验证了本文算法的可靠性和有效性。同时对过渡区的流动特征和表面气动参数的分布规律进行了分析。