基函数法在黏性可压缩流动中的研究与应用

研究基函数法在二维和三维轴对称情形下可压缩黏性流动中的应用, 并利用此法数值地计算了二维圆柱的超音速黏性绕流和三维球头的轴对称超音速黏性绕流两个算例。取一阶三角函数为基函数, 构造出导数的中心格式和迎风格式。对于可压缩N-S 方程中的对流项, 采用通量分裂法及中心格式与迎风格式相结合的技术;对于可压缩N-S方程中的黏性项, 则采用中心格式进行处理。由此, 构造出了数值求解黏性可压缩流动的一阶三角函数类型的基函数格式。两个算例的数值计算结果表明, 基函数法不仅在处理无黏可压缩流动时, 是一种高精度、高分辨率的新型计算方法, 而且在处理黏性可压缩流动问题时也一样行之有效。     

不可压缩黏性流体基函数法的理论研究及其在三维动脉瘤中的计算

将基函数法应用到不可压缩黏性流动的数值模拟中去,采用人工压缩性技术、通量分裂法及中心格式和迎风格式相结合的技术,构造出可数值求解三维不可压缩流体N—S方程的三角函数类型的基函数格式．为了验证此方法,首先计算了有限长度的圆管内流动,解出的速度分布和压力分布除入口段和出口段外,与泊肃叶流的结果十分吻合．在方法得到初步验证后,又采用三角函数基函数及非结构网格生成技术,进一步数值地研究了二维和三维情况下动脉瘤内的血液动力学问题,计算了定常情况下动脉瘤内的速度、压力和剪切力分布并研究了动脉瘤的几何形状对血液动力学的影响．     

满足抑制波动原则的五阶精度紧致格式

高精度、高分辨率计算格式的研究对于准确模拟多尺度复杂流动现象具有非常重要的意义。该文采用待定系数的方法,通过推导修正方程式构造了一个满足抑制波动原则和稳定性原则的五阶精度的五点紧致格式。另外还采用了时间相关的边界处理方法,以保证边界点上也满足抑制波动原则和稳定性原则。一维激波管问题和二维平板激波反射问题的考核结果表明,该文构造的格式和边界处理方法能够有效抑制整个流场包括边界附近虚假的非物理数值波动,利用修正方程式来构造能够捕捉激波的新型紧致格式是一条发展高精度格式的可取之路。     

高精度中心-WENO混合格式在可压缩各向同性湍流大涡模拟中的应用

为提高可压缩湍流大涡模拟的格式精度和分辨率,通过引入当地压力脉动的感应因子和格式加权函数的取值界限,发展了一种数值耗散自适应可控的近似6阶中心-WENO(加权本质无振荡)混合格式,采用傅里叶法对离散格式数学特性进行了理论分析,并对一维激波/密度脉动干涉问题和三维可压缩各向同性湍流大涡模拟问题进行了计算。结果表明:近似6阶中心-WENO混合格式相比于5阶-WENO格式具有更小的耗散误差,且对激波和物理脉动均具有较高的分辨率;基于所发展的中心-WENO混合格式的大涡模拟计算结果与已有的直接数值模拟结果符合较好,且能够成功捕捉-5/3幂律能谱特性曲线;该格式标定了适合于可压缩流动大涡模拟的格式加权函数界限数值,为流体机械内部可压缩湍流的高精度大涡模拟研究奠定了算法基础。     

二阶迎风有限体积法方腔流数值模拟

介绍了一种基于非结构网格的二阶迎风有限体积离散格式，在对流项的离散过程中，为了达到二阶精度，在界面上对物理量咖作Taylor展开，在处理展开项中的梯度时经入NND格式的优点，克服了中心差分格式不稳定的缺点，并对方腔流动进行了系统的数值模拟．计算网格采用三角形网格，节点数为12960，单元数为25600．压强修正基于SIMPLEC方法．给出了雷诺数Re达到5000时的定常流动结果，与以往方腔流计算的标准解非常吻合，但所用的网格数要少．计算结果表明该二阶迎风有限体积算法有很好的收敛性和稳定性，且松弛因子对计算结果影响很小．     

一种同位网格上的迎风Galerkin 有限元方法

通过 Green定理将对流项变量从微分算子中分离出来 ,从插值函数入手引入迎风格式 ,是对强对流问题 Galerkin有限元计算中对流项变量的一种新的处理方法。按这种方法采用局部斜迎风格式及速—压同位网格公式 ,构成了一种对高 Reynolds数流体流动数值模拟比较有效的有限元方法。数值试验表明 ,采用该方法能较好地提高计算精度。     

基于动力学关系的非压缩激波的Godunov型格式

非压缩激波产生于大量的物理问题,如相变动力学、磁流体动力学、Camassa-Holm模型和燃烧系统等。与压缩激波不同的是,它不仅满足单个的熵不等式,还能满足一些动力学关系。为了计算非压缩激波的数值解,本文设计了一种Godunov型格式,包括函数重构、发展和求网格平均三个步骤。在函数重构时,先对非压缩激波的位置进行预估,在其相邻网格上利用动力学关系进行重构,而在其它网格上采用数值解和数值熵进行重构。数值实验表明,此格式不仅对非压缩激波有较好的分辨率,而且对经典波也有较高的精度。     

基于控制体的分步有限元算法及其在非正交网格上的应用

利用Newton-Raphson算法的局部收敛特性,建立了一种基于分步思想的有限元算法。该算法首先利用基于流动条件构造差值函数的迎风有限元方法获得流动问题的近似收敛解;然后,在近似解的基础上,引入混合插值格式,进一步计算降低误差。混合插值函数的形式由数值实验获得,数值结果与理论分析相一致。对方腔顶盖驱动流和倾斜空腔驱动流进行了数值模拟,数值解与基准解吻合很好。与传统的基于流动条件构造差值函数的迎风有限元方法相比较,该文算法能在较稀疏的网格条件下获得比较精确的计算结果,尤其针对存在漩涡的流动问题,能大大提高数值解的精度。     

全三维粘性流场计算的快速收敛方法

以新的高收敛率的 L U型隐式格式和高精度、高分辨率的 MU SCL TVD迎风格式为基础 ,提出了一种快速求解三维粘性流场的计算方法。为有效减少计算工作量 ,近固壁区采用了壁面函数方法。湍流模型采用简单的混合长度模型。为提高迭代收敛速度 ,从多重网格理论出发 ,结合改良型L U隐式和迎风格式 ,对 Reynolds平均三维可压缩 Navier-Stokes方程进行求解。用此方法数值模拟了 NASA L ewis37跨音速压气机转子流场。计算得到的流场与实验结果进行了对比。结果表明 ,此方法可快速得到三维粘性流场的流动特性且计算结果精度较高 ,可望在叶轮机械多叶片排全三维粘性流场校核计算中发挥作用。     

利用点插值函数作为试函数的最小二乘配点法

采用径向基函数与多项式基函数作为耦合的基函数,并利用点插值法构造加权残值法中的近似试函数,试函数中的形函数具有狄拉克-δ函数性质,因此可以直接施加本质边界条件．利用这种试函数和采用最小二乘配点法求解了一维二阶微分方程和薄板的弯曲问题,并与理论结果进行对比;同时还检验了配点数以及节点支持域半径对计算精度的影响．数值结果表明：这是一种与单元划分无关的无网格方法,具有模拟简单,计算精度高,收敛快的优点．     

二阶时域波动方程的无网格方法求解

将径向基函数配点型无网格方法引入二阶时域波动方程的求解中,方程的空间导数采用径向基函数逼近,时间导数采用Crank-Nicolson方法离散,对应的边界条件直接施加在离散的边界数据点上.采用该方法对二维非规则求解域内的波传播问题进行了数值计算,并与有限元计算结果进行了对比分析.结果表明:基于径向基函数配点的无网格方法不但形式简单、易于实施,而且能够有效解决复杂求解域高维的波动问题.     

功能梯度材料的点插值无网格法

建立了一种新的求解功能梯度材料问题的点插值无网格法,这种无网格方法将径向基函数和多项式基函数耦合构造具有插值特性的近似函数,并将其应用于弹性力学问题Galerkin形式的无网格方法.在计算过程中,取高斯点的材料参数模拟功能梯度材料特性的变化,由于形函数及其导数的构造相对简单,并且满足Delta函数性质,所以该方法具有计算量小、精度高、可以像有限元法一样直接施加边界条件的优点.最后通过数值算例证明了该方法的有效性.     

一类半线性椭圆边值问题的无网格方法

讨论了一类半线性椭圆边值问题的无网格方法.采用径向基函数无网格法的基本原理和非线性方程组的Newton方法,构造了相应半线性椭圆边值问题的数值格式.给出了数值算例,且与常用算法进行了比较.说明了方法具有易于编程、计算精度高及不需要对区域进行网格划分等优点.     

膨胀波火炮后喷冲击波流场数值模拟

为研究后喷冲击波流场特性,以确定其危险区域,针对膨胀波火炮排气方式以及后喷冲击波流场的复杂波系特性,建立了三维可压缩Navier-Stokes方程。采用一阶精度的迎风总差分变小格式及自适应网格技术,对某口径膛底排气膨胀波火炮的后喷冲击波流场进行了数值模拟,获得了后喷冲击波的流动规律。结果表明:尽管差分格式的精度为一阶,通过采用自适应网格技术,同样可以获得较高的激波分辨率;同时可以确定冲击波超压的大小,以此确定膨胀波火炮后喷冲击波的安全范围。     

用无网格局部径向点插值法分析功能梯度材料问题

采用无网格局部径向点插值法来分析功能梯度材料问题．这种无网格方法采用径向基函数耦合多项式基函数来近似试函数,采用三次样条函数作为加权残值法中的权函数．所构造成的形函数具有Kronecker Delta性质,方便处理本质边界条件．在计算过程中,取积分中的高斯点的材料参数来模拟问题域材料特性的变化．结果表明这是一种真正的无网格方法,模拟简单而且计算精度高．     

控制体有限元方法中质量加权迎风格式的迁延修正

控制体有限元方法对于处理流动问题提供了一种较好的数值模拟方法，但对于大Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数的回流流动问题，该方法在采用各种迎风格式时仍存在着严重的假扩散．为此，对二维质量加权迎风格式，给出了一种由插值单元及其一个与插值点最靠近的相邻单元所确定的多项式插值格式迁延修正的形式．通过对Ｒｅ＝４００、１０００、５０００三种情形的二维空穴流问题的计算，表明该格式可有效地减少控制体有限元方法对回流问题数值模拟的假扩散．     

一种无积分任意四边形非结构化网格节点间断Galerkin方法

节点间断Galerkin方法是近年来得到迅速发展的高精度数值方法,可以采用任意多边形网格对平面求解域进行离散.针对任意四边形非结构化网格,传统的节点间断Galerkin方法采用数值积分对离散方程进行计算,需要较大的计算量与存储空间.为了提高任意四边形非结构化网格上节点间断Galerkin方法的计算效率,提出了一种新的无积分格式实现方法,即将积分节点与插值节点定义为同一节点集,并利用节点基函数的插值性质,推导出每个单元内控制方程的无积分离散格式.通过在任意四边形非结构化网格中对二维对流方程进行数值求解,验证了新提出的无积分方法的准确性和计算效率.结果表明,无积分方法与传统数值积分方法计算误差和收敛精度基本相同,而其计算效率提高1倍以上.     

组合的LU分解迎风方法的多重网格收敛

为提高计算收敛速度,以新的高收敛率的LU型隐式格式和高精度、高分辨率的MUSCL TVD迎风格式为基础,对可压缩无粘和粘性流动问题计算的多重网格方法进行了探讨。采用二维凸包通道和VKI LS 59跨音速透平叶栅为算例,通过与单网格上的计算迭代性能做对比,证明这种算法在原有基础上更大幅度地提高了计算收敛速度,节省了CPU时间,而且方法本身也简单易行。     

数值模拟入射斜激波／平板湍流边界层干扰流动

应用GAO-YONG可压缩湍流模型数值计算了入射斜激波／平板湍流边界层相互干扰现象。计算程序中的对流项、扩散项分别采用AUSM格式和中心差分格式离散,并用多步Runge-Kutta显式时间推进法求解空间离散后的控制方程。计算中包含了无分离流动、初始分离流动以及较大分离流动等多个情况,比较了平板壁面压力、法向平均速度剖面、壁面摩阻系数Cf以及壁面斯坦顿数St等的计算结果与实验值。结果发现：GAO-YONG可压缩湍流模型能够很好地预测入射斜激波／平板湍流边界层相互干扰下的无分离以及小分离流动,对高马赫数下的大分离流动也能得到较合理的结果,但再附点之后的壁面摩阻系数以及斯坦顿数的计算值不够理想。     

带端板地效应翼性能的数值研究

通过求解不可压缩流体ＲＡＮＳ方程,数值模拟带端板三维地效应翼的性能及周围流场。数值方法引进了Ｃｈｏｒｉｎ的人工可压缩性概念,应用近似因式分解技术同时求解速度和压力场,动量方程对流项用二阶迎风差分格式离散,其余空间导数项均采用四阶精度的中心差分格式离散,时间离散采用欧拉隐式格式,计算在非交错网格上进行,为了避免压力场的振荡,在连续方程中隐式地加入了压力的四阶数值耗散项,湍流计算采用了Ｂａｌｄｗｉｎ－