有限体积迎风高格式及基于非结构混合网格的复杂流动数值模拟

来源 :中国科学院力学研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:for1984
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论文首先从通用标量输运扩散方程出发推导迎风摄动有限体积格式,简称有限体积迎风高格式UGS。然后将UGS用于Spalding的压力修正SIMPLE算法,对不可压缩项盖驱动方腔流动、对采用Boussinesq假设的分层不可压缩浮力驱动方腔流动和Bump亚声速、跨声速和超声速流动等几个Benchmark问题进行了数值模拟实验。顶盖驱动方腔流动和浮力驱动方腔流动的计算结果与文献上的Benchmark解相符合;Bump流动的计算结果表明有限体积迎风高格式用于可压缩流动计算是可行的。论文计算表明,有限体积迎风高格式UGS只用到三基点,具有较高精度和较好的鲁棒性,容易向三维推广。因此进一步开展UGS的三维计算,把UGS发展为真正实用的格式是很有必要和有意义的工作。   三维复杂流动的数值模拟的首要一步就是网格生成。非结构混合网格在物面附近引入了三棱柱、六面体、金字塔网格,既克服了非结构四面体网格难以模拟物面边界层流动的限制,又克服了多块结构网格存在网格生成困难、生成周期长等缺点;既能模拟飞机湍流边界层区域的流动,同时又能使用较少网格模拟复杂边界形状外形。因此论文研究了美国Boeing公司、McDonnell Douglas公司、NASALangley研究中心、NASA Lewis研究中心、NASA Ames研究中心以及伯克利ICEM CFD公司联合开发的跨平台标准数据记录检索系统CGNS提供的函数库,开发出网格阅读程序,直接处理当今常用网格生成软件如ICEM、GAMBIT等输出的CGNS格式的网格文件。还利用先进高效的八叉排序算法生成网格的边列表文件。   有了合适的网格,还需要开发合适的解算器。论文以紧耦合Menter k-w SST两方程模型和不定常Reynolds时均NS(URANS)方程组作为流动控制方程组,详细推导了控制方程组在三维非结构混合网格中的有限体积离散和LU-SGS隐式迭代数值方法,包括利用正则变换和HouseHoler变换求解最小二乘问题来计算节点梯度。并推导出在三维非结构混合网格中实现湍流壁面函数条件的公式。然后利用开发的三维非结构混合网格解算器,对流项采用HLLEW格式离散,粘性项采用中心格式离散,对AIAA标模F6WB翼身组合体、F6WBNP外挂发动机翼身组合体和LANNWING三维机翼进行数值模拟实验,获得与风洞实验一致的压力曲线结果。表明开发的解算器可以作为进一步格式研究和工程实际应用的开发平台。   论文基于密度算法,详细导出了有限体积迎风高格式UGS应用于三维非结构混合网格的LU-SGS隐式迭代的公式。提出了六阶迎风高格式(6UGS)耦合AUSMPW格式的杂交算法,杂交算法利用论文开发的三维非结构混合网格解算器数值模拟F6WB翼身组合体的结果表明,跨声速情况下,6UGS-AUSMPW杂交格式比AUSMPW各式的计算结果精度有了较大提高,能够达到与HLLEW计算结果接近,与实验结果符合,但计算量明显小于HLLEW格式。   最后指出,2006年llth国际网格圆桌会议(The International MeshingRoundtable)上,美国NASA Langley Research Center研究报告指出,“复杂几何区域能够快速处理,非结构混合网格时代已经到来,自适应网格潜力尚未充分应用,未来需要重点考虑算法设计、新离散格式和新求解技术”。因此论文研究新离散格式—有限体积迎风高格式(UGS),研究UGS与基于压力(pressure-based)和基于密度(density-based) CFD算法的耦合及其基于非结构混合网格的复杂流动数值模拟,符合CFD当今发展方向,具有理论和实际意义。
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