Lattice Boltzmann Flux Solver： An Efficient Approach for Numerical Simulation of Fluid Flows

A lattice Boltzmann flux solver （LBFS） is presented for simulation of fluid flows. Like the conventional computational fluid dynamics （CFD） solvers, the new solver also applies the finite volume method to discretize the governing differential equations, but the numerical flux at the cell interface is not evaluated by the smooth function approximation or Riemann solvers. Instead, it is evaluated from local solution of lattice Boltzmann equation （LBE） at cell interface. Two versions of LBFS are presented in this paper. One is to locally apply one-dimensional compressible lattice Boltzmann （LB） model along the normal direction to the cell interface for simulation of compressible inviscid flows with shock waves. The other is to locally apply multi-dimensional LB model at cell interface for simulation of incompressible viscous and inviscid flows. The present solver removes the drawbacks of conventional lattice Boltzmann method （LBM） such as limitation to uniform mesh, tie-up of mesh spacing and time interval, limitation to viscous flows. Numerical examples show that the present solver can be well applied to simulate fluid flows with non-uniform mesh and curved boundary.     

基于格子Boltzmann方法的可压缩翼型绕流模拟

采用能够恢复可压缩Navier-Stokes方程的耦合双分布(DDF)格子Boltzmann方法(LBM)模拟了贴体网格下的NACA0012翼型绕流.首先在Ma＝0.5,α＝0.0,Re＝5 000状态下通过模拟低雷诺数流动检验了该方法;然后分别在Ma＝0.5,0.85和1.2,α＝-0.05,1.0和0.0状态下进行了模拟,并在Ma＝0.85时通过加密网格得到了更好的结果.为了避免转捩问题采用了无粘边界条件进行模拟,但得到的压力系数与实验结果吻合良好,证明了该方法的可靠性并显示了其模拟可压缩的潜力.该方法在翼型绕流上的应用为湍流流动的数值模拟提供了基础.     

粘性非结构网格生成方法及绕流计算

运用非结构网格进行计算时，需要在物体附面层区域内生成高展弦比的三角形网格。本文给出了一种基于物理学中弹簧原理的粘性非结构网格生成新方法－－挤压法，它能有效地实现粘性区域内位伸网格到附面层外一般非拉伸网格的光滑过渡。然后在非结构粘性网格上对Ｎ－Ｓ方程运用有限体积法进行了数值计算，ＮＡＣＡ－００１２翼型以及平板层流的数值试验结果较为满意。     

基于反馈定理的IB-LB方法(英文)

格子波尔兹曼方法(Lattice Boltzmann method,LBM)和浸入边界方法(Immersed boundary method,IBM)皆为近年来发展的可替代Navier-Stokes(N-S)方程求解复杂流体力学问题的数值模拟方法。本文采用浸入边界-格子波尔兹曼方法(IB-LBM),将IBM作为一种边界处理格式应用到LBM中,模拟了静止单圆柱及并排双圆柱绕流,与文献对比结果吻合良好,证明该方法具有模拟复杂边界物体绕流的能力。与采用虎克定理、直接力法计算体积力项的传统方法不同的是本方法运用反馈定理,即采用流场和流场内物体之间的速度、位移反馈来计算体积力项,使得该方法易于实施并具有优良的并行性。     

用k-ω紊流模型和Osher格式在混合网格上计算紊流流场

用有限体积法求解了雷诺平均 Navier-Stokes方程。空间离散采用了 Osher逆风格式 ,紊流模型采用了两方程模型 ,并对绕 NACA0 0 1 2翼型及双椭球外型的紊流流动进行了数值模拟。结果表明用上述方法求解紊流流动非常有效     

基于混合传热模态的瞬态热流测试方法研究

瞬态热流是电弧加热器试验高温流场需要校测的重要参数。针对高热流、强冲刷试验测试环境,根据能量守恒原则,给出了一种基于热容吸热和一维半无限体传热的混合传热模态的瞬态热流测试方法,分析了有效测试时间范围。在此基础上,设计了一种新型结构的瞬态热流传感器。结合标定试验,对研制的瞬态热流传感器进行动态响应特性检测和准度校准,并应用于电弧加热器试验环境中。结果表明:该瞬态热流传感器具有良好的动态响应性能和抗冲刷能力,可以满足电弧加热器试验环境高热流测试需求。     

非结构网格高超声速绕流数值模拟及涵道构型减阻特性分析

在非结构网格上对二维高超声速化学非平衡粘性绕流进行了数值模拟，并应用此方法对涵道构型高超声速减阻特性进行了数值分析。空间离散采用VanLeer逆风通量分裂格式，时间推进采用显式的Runge—Kutta格式。化学非平衡动力学模型为五组元五反应模型，对化学反应源项进行了点隐式格式处理，温度场的计算采用牛顿迭代法。分别对二维类弹头体涵道构型、二维半圆柱模型的高超声速绕流流场进行了数值模拟，得到了数值结果，并与完全气体绕流计算结果进行了对比分析。结果表明本文方法可以应用于高超声速绕流计算，并且涵道构型具有高超声速减阻特性。     

圆转方非轴对称喷管无粘流动的多层网格法求解

本文利用多层网格法求解三维无粘亚音和跨音速圆转方非轴对称喷管的流动,基本格式是把Ni[1]的二维有限体积积分格式推广到三维流场。边界条件采用文[2]中的“预测一修正”处理方法。为了进一步提高格式稳定性,在计算流动变量的一阶时间变化量时,采用单元体积平均法而不是文[1]中的算术平均法。引入当地时间步及多层网格方法,以加快格式的收敛速度。文中还对多层网格构造形式及其收敛效果作了讨论。通过对两种喷管模型流动的计算和与试验数据的对比,验证了该算法的精度。     

采用格子Boltzmann方法对低雷诺数平面射流的流场分析(英文)

采用格子Boltzmann方法对雷诺数(基于射流出口宽度和出口最大速度)为42和65的二维不可压缩平面射流进行了数值模拟。研究结果表明,在射流的自相似区,射流中心轴线速度按-1/3指数规律衰减并且射流按2/3指数率扩展,与理论分析及实验结果吻合。在射流的远场区域,中心轴线上瞬态速度的时间历程与频谱分析展示出速度的周期变化特性,并且周期性分量引起的相互作用不应被忽略;相比较而言,速度的周期性分量在近场区不明显。     

自适应计算网格的生成和优化方法

本文提出一种简单通用的自适应计算网格生成方法。配合文[1]的网格优化方法,能在生成自适应网格的同时,保证网格具有较好的光滑性和正交性。本文还阐述了单元加权函数W的取值和边界点的确定对自适应网格性质的影响。作为应用实例,本文将自适应网格用于二维无粘跨音速叶栅流场计算。结果表明,采用自适应网格能明显改善流场的计算精度。     

超声速化学反应流场迎风格式数值模拟及并行计算

基于有限体积迎风格式对超声速燃烧流场进行了的数值模拟.由于超声速燃烧流场绕流的复杂性,要求对多组分Euler/N-S方程求解的数值模拟方法应具有较高的计算精度及效率.本文引用辅助点方法建立了具有空间二阶精度的van Leer迎风矢通量分裂格式,并应用于超声速燃烧流场绕流的数值模拟.化学反应为氢气/空气十反应模型,采用考虑了化学反应特征时间的当地时间步长显式Runge-Kutta时间推进格式.对钝头体模型爆轰现象、后向台阶氢气喷射及二维内外流超声速燃烧流场模型进行了区域分裂技术的并行计算.计算结果与参考文献作了对比,得到了满意的结果.     

HLLC方法在三维非结构网格上的应用

以三维非结构网格的显式有限体积法为基础，采用格心方法以及基于近似黎曼解的二阶精度Godonov扩展方法求解三维Euler方程，使用HLLC(Harten，Lax，van Leer,Contact)近似黎曼解的方法计算网格单元边界处的守恒量通量。为了验证方法的可行性，利用三维解算器对NACA0012翼型绕流进行了数值计算，结果令人满意。在此基础上对某型弹的流场进行了数值模拟，取得了比较好的结果。     

基于轴线马赫数分布的喷管扩张段无粘型面设计

针对高超声速风洞轴对称喷管设计问题，开展了喷管扩张段无粘型面设计研究。介绍了基于预设轴线马赫数分布的直接设计方法，改进了基于面积比的轴线马赫数分布预设方法，提出了一种方便多点控制的轴线特征点分布方法。对设计喷管流场进行特征线网三角化，与数值模拟结果进行比较，并分析了影响喷管无粘型面的设计因素。表明:改进的面积比方法可以保证轴线马赫数分布预设的合理性；轴线马赫数分布、轴线上特征点分布和边界特征点数明显影响喷管无粘型面。     

尖前缘驻点热流精细化测量研究

为提高升阻比特性，现代高超声速飞行器常采用尖前缘结构，这对热防护系统提出了很大挑战。尖前缘结构由于表面曲率较大，常规的点测量和面测量试验技术均难以对驻点热流进行准确测量。针对尖前缘驻点热流测量难题，制作了专用的整体式薄膜电阻温度计，建立了驻点热流参数辨识方法，并以不同前缘半径（R=1.0、2.0和5.0 mm）的斜劈模型为研究对象，在FD-20高超声速脉冲风洞中开展了试验验证，来流马赫数分别为4、5、6和8，试验结果表明:整体式传感器稳定性好、灵敏度高、耐冲刷性强，其参数辨识方法精度高，试验获得的前缘驻点热流与理论值误差小于15%。     

High-Order Discontinuous Galerkin Method for Hovering Rotor Simulations Based on a Rotating Reference Frame

An implicit higher ? order discontinuous Galerkin(DG) spatial discretization for the compressible Euler equations in a rotating frame of reference is presented and applied to a rotor in hover using hexahedral grids. Instead of auxiliary methods like grid adaptation,higher ? order simulations(fourth ? and fifth ? order accuracy) are adopted.Rigorous numerical experiments are carefully designed,conducted and analyzed. The results show generally excellent consistence with references and vigorously demonstrate the higher?order DG method's better performance in loading distribution computations and tip vortex capturing, with much fewer degrees of freedom(DoF). Detailed investigations on the outer boundary conditions for hovering rotors are presented as well. A simple but effective speed smooth procedure is developed specially for the DG method. Further results reveal that the rarely used pressure restriction for outlet speed has a considerable advantage over the extensively adopted vertical speed restriction.     

分析二维导体电磁散射问题的FEM/POPTD方法——TE模(英文)

提出了一种分析计算带有裂缝的二维电大尺寸复杂导体目标电磁散射问题的混合方法—— FEM/ PO-PTD方法。该方法采用基于棱边的有限元法 ( Edge-basedFEM)为低频方法 ,物理光学法与物理绕射理论 ( PO-PTD)为高频方法 ,通过耦合技术将两者结合在一起。本文将该方法应用于带有缝隙的二维导电柱 TE模的电磁散射特性分析 ,计算结果与有关文献的数据一致性很好 ,从而验证了该方法的准确性。文中还给出了另外几种截面的导电柱体雷达截面的计算曲线。理论分析与计算结果表明 ,本文提出的混合方法与其他计算同类问题的方法相比 ,能节省计算机存储单元、提高计算速度     

密集根之特征向量导数的改进高精度动柔度法

作者曾为许多特征向量导数计算，提出过一种介于直接法（指直接求解线代方程组的，以Nelson为代表的一类方法）和模态法之间的高精度动柔度法。这种方法与作者建立的一般动柔度法一样，不能用于密集根之特征向量导数的计算。为使该方法扩展到密集根状态，本文将作者发展的混合移频技术应用于原高精度动柔度法，并重新推导了混合移频系统 的高精度动柔度式，从而形成能适用于许多密集根之特征向量导数计算的改进高精度动柔度法。     

二维不可压内流湍流附面层分离流的预测

本文采用适合于内流的准同时粘性/无粘性流匹配模型,快速求解二维通道内的不可压湍流附面层分离流动。无粘流采用由复变函数论的Plemeli公式推导的面元法;粘性流动区采用Head积分法求解。文中给出了两个算例。结果表明:所采用的准同时粘性/无粘性流匹配模型,不但可有效地克服分离形成的奇异性,而且收敛速度快,稳定性好。在湍流分离阶段,其预测结果与实验值基本吻合。文中还讨论了形状因子及表面摩擦系数关系式对预测结果的影响,形状因子经验关系对预测有比较明显的影响,而表面摩擦系数经验关系对预测无显著影响。文中还提出了改进模型的方向。     

环形激波聚焦流场特性的间断有限元方法(英文)

针对环形激波聚焦时产生的高温、高压特性,采用间断有限元方法对环形激波在同轴圆柱形激波管内的聚焦流场进行了数值模拟。为了验证采用方法的有效性,首先对经典激波管问题进行了求解,计算结果与解析解吻合很好。其次,对入射激波马赫数为2.0到5.0的环形激波聚焦流场进行了计算,获得了环形激波在圆柱形激波管内聚焦过程的气动特性。模拟结果表明,采用间断有限元方法能够有效地捕捉激波聚焦过程形成的绕射、反射和聚焦等主要流动特征,而且在聚焦点附近,数值解具有较大的梯度变化,表明该方法对间断解具有较强的捕捉能力。最后比较了网格尺度对聚焦点峰值压力的影响。     

非结构网格生成技术

描述了非结构网格生成的过程,网格的生成方法基于Delaunay 三角形方法,并对物面附近网格进行拉伸以便获得在边界层内高拉伸比的三角形单元。网格的生成过程分两部分:(1) 按Delaunay 三角形方法生成适于无粘情况下的非结构网格。(2) 对近物面的部分三角形单元进行拉伸,使生成的网格能适用于粘流。使用上述方法本文构造了二维弯管内绕叶栅区域的非结构网格