低耗散E-CUSP格式性能分析及大攻角分离流数值模拟

为了降低舰艇在高速航行时受到的空气和海浪阻力,船型的设计必须要符合流体动力学特性。由于舰艇的几何外型越来越复杂,促使研究人员寻找精度更高、收敛速度更快的CFD计算方法。经过几十年的发展,CFD计算方程和计算格式发展迅速,产生了拉普拉斯方程、欧拉方程、小扰动速势方程、通量差分分裂迎风格式等,在航空航天、船舶工业、飞行器设计等领域获得了广泛的应用。本文针对高速舰艇在大攻角条件下的航行状态,利用基于Roe格式的低耗散E-CUSP迎风格式算法,对舰艇细长旋成体的流体动力学特性进行了分析和大攻角分离流数值模拟。

五阶WENO格式求解一维Euler方程

应用加权本质无震荡(WENO)格式耦合低耗散E-CUSP格式,空间采用低耗散E-CUSP迎风格式,时间采用显式Runge-Kutta推进方法,分别对一维激波管问题和一维低密度流问题进行了数值模拟,发现WENO格式耦合低耗散E-CUSP算法在接触间断和激波处的捕捉效果有了显著地提高。结果表明,WENO格式精度高,稳定性能好,将WENO格式耦合低耗散E-CUSP算法应用到一维Euler方程的数值解中,对接触间断和激波的捕捉能力较强,尤其是对激波的捕捉能力,仅需要2～3个网格单元,为后续将其推广到二维问题上做了良好的铺垫。

一种求解欧拉方程的高精度数值格式

为了优化加权本质无振荡(weighted essentially non-oscillatory,WENO)格式在流体力学中的计算性能,在WENO-JS格式和WENO-M格式加权方法研究分析的基础上,基于广义不可分差分算子推导出新局部光滑因子,构造出WENO-NS格式。将总能对流迎风和分压(E-CUSP)格式与七阶WENO-NS格式耦合得到新格式。在空间层上,采用七阶WENO-NS格式重构低耗散E-CUSP格式中的通量;在时间层上,采用四阶总变差递减的龙格-库塔(total variation decreasing Runge-Kutta,TVD-Runge-Kutta)方法推进,对一维激波管问题进行了数值模拟。观察可得,耦合的E-CUSP-WENO-NS7对接触间断和激波的捕捉更为精确。结果分析表明,耦合的新格式可以更陡峭地捕捉到激波,计算结果精度高,稳定性能好。