飞行器跨声速气动弹性数值分析

将流体和结构运动方程分别构造为含子迭代的计算格式,发展了一种紧耦合气动弹性分析方法.其中流体计算的空间离散采用改进的HLLEW(Harten—Lax-van Leer-Einfeldt-Wada)格式. TFI(transfinite inter- polation)方法用于生成随结构变形的自适应多块动网格.利用所发展的方法,对-翼-身-尾气动外形,数值预测了马赫数在0.3-1.3范围内的气动颤振边界.并详细研究了时间步长、子迭代步数、初始流场、耦合方法、疏密网格对颤振计算结果的影响.     

格子玻尔兹曼法多块网格的交界结构优化研究

基于格子玻尔兹曼方法LBM(Lattice Boltzmann Method)对多块网格方法(Multi-Block)的粗细网格交界结构进行了研究,提出了一种新的优化处理方案。解决了原有网格交界结构存在的三个问题,即两套插值运算造成的程序结构复杂的问题,存储前几个时间步的节点流场数据以备插值运算造成内存浪费的问题和基于时间插值结果进行空间插值计算造成插值误差积累的问题。用一次多点二维空间插值的方式,将原方法的空间和时间双插值,简并成一次空间插值。通过对经典的非定常的圆柱绕流算例和定常的标准顶盖方腔驱动流算例的仿真模拟,验证了交界面处质量、动量及应力的连续性以及网格交界面数据过渡的流畅度,最终验证了改进方法的正确性。数值模拟结果表明,改进后多块算法可实现局部网格细化,进一步推动LBM方法在实际工程问题中的应用。     

基于局部搜索算法的自然邻接点方法

自然邻接点方法(NNM)采用自然邻接点形函数进行插值，其插值形函数具有严格定义，且与 有限元形函数一样形式简洁、性能优良，因而避免了EFG法里难以准确施加位移边界条件和 材料不连续条件等诸多主要困难. 但是从形式上看自然邻接点方法仍然属于有网格的方法， 其研究和应用受到了较大的限制. 为了克服这个缺点，对于任意给定的数值积分点，提出了 一种基于局部搜索自然邻接点的寻找算法对NNM进行改进. 改进后的NNM与无单元伽辽金法 (EFG)的插值和求解过程类似，兼具有EFG的真正无网格特性及NNM的便于处理边界和材料 不连续条件等优点. 所得计算结果表明，改进后的NNM的计算精度和计算时间与NNM相当， 是一种比较理想的数值求解方法.     

基于CFD/CSD分区耦合的气动弹性数值模拟

提出了一种改进的常体积转换局部插值方法和判断两套网格之间宿主-受体关系的高效算法。结构计算采用带面内旋转自由度的四节点四边形平板壳单元模型,气动计算基于有限体积离散的任意拉格朗日-欧拉(ALE)格式N-S方程,并采用Delaunay图映射法来处理网格移动。根据分区耦合原理,建立一套基于计算流体力学(CFD)/计算结构力学(CSD)的气动弹性计算方法,并应用于AGARD445.6机翼颤振速度系数和颤振频率系数、切尖三角翼的翼尖颤振幅值和颤振频率的分析中。与已有文献相比,数值计算结果误差分别为7.85%和9.46%、7.28%和1.03%,相对较小,验证了该气动弹性分析方法和程序的可靠性和可行性。     

基于优化模型的结构声学耦合界面载荷传递算法

针对结构声学耦合系统的界面载荷传递问题,提出了一种基于约束最优化模型的局部参数插值算法。耦合界面处结构和流体单元表面坐标通过各自的形状函数进行插值,把界面载荷在互不匹配的网格节点间的传递问题转化为一个点到用自然坐标表示的有限边界曲面的最小距离问题,以便利用成熟稳定的优化算法对其进行高效求解。与已有方法相比,该算法在耦合界面单元为曲面的情况下仍能保持较高的计算精度。本文给出的数值算例验证了本算法的有效性和可靠性。     

THE PROGRESS OF THE OVERLAPPING GRID TECHNIQUES

从网格装配和插值计算两个主要方面对现有的重叠网格方法进行了综述。首先,从挖洞方法和建立嵌入网格关系环节的寻点技术出发归纳和介绍了网格装配方法;其次,介绍了数值迭代过程中的插值计算方法,并特别讨论了插值守恒性以及插值计算精度等问题;另外,对重叠网格方法的并行计算和应用成果也作了介绍;最后,通过总结认为重叠网格方法在改进网格装配方法、改善插值和并行计算效率等方面仍需进一步研究。     

重叠网格方法的研究进展

从网格装配和插值计算两个主要方面对现有的重叠网格方法进行了综述.首先,从挖洞方法和建立嵌入网格关系环节的寻点技术出发归纳和介绍了网格装配方法;其次,介绍了数值迭代过程中的插值计算方法,并特别讨论了插值守恒性以及插值计算精度等问题;另外,对重叠网格方法的并行计算和应用成果也作了介绍;最后,通过总结认为重叠网格方法在改进网格装配方法、改善插值和并行计算效率等方面仍需进一步研究.     

薄膜结构流固耦合的CFD数值模拟研究

基于弱耦合分区求解策略,在CompaqVisualFortran6．5环境下搭建了薄膜结构三维流固耦合效应的CFD数值模拟平台。程序采用模块化编程思想,主要包含几何建模、流体分析、结构分析和数据交换四个模块。其中几何建模模块采用自行编制的膜结构找形分析程序,流体分析模块采用经过二次开发的计算流体力学软件FLUENT6．0,结构分析模块采用自行编制的膜结构动力分析程序MDLFX;在数据交换模块中,编制了基于薄板样条法的插值计算程序,以实现流固交界面上不同区域网格间的数据传递问题,编制了基于代数法和迭代法的动网格变形程序,以实现流固耦合运算中的动网格更新。基于该软件平台,对单向柔性屋盖和鞍形膜结构屋盖进行了流固耦合数值模拟,验证了方法的有效性。     

颗粒群碰撞搜索及CFD-DEM耦合分域 求解的推进算法研究

在采用计算流体力学-离散元耦合方法(computational fluiddynamics-discrete element method, CFD-DEM)进行固液两相耦合分析时, 颗粒计算时间步的选取直接影响到耦合计算精度和计算效率. 为此, 本文选取每个目标颗粒为研究对象, 引入插值函数计算时间步的运动位移, 构建可变空间搜索网格; 通过筛选可能碰撞颗粒建立搜索列表, 采用逆向搜索方式判断碰撞颗粒, 从而提出一种改进的DEM方法(modified discreteelement method, MDEM). 该算法在颗粒群与流体耦合计算中, 颗粒计算初始时间步选取不受颗粒碰撞时间限制, 通过自动调整和修正实现大步长, 由颗粒和流体耦合条件实时更新流体计算时间步, 使颗粒计算时间步选取过小导致计算效率低、选取过大导致颗粒碰撞漏判的问题得以解决, 为颗粒与流体耦合的数值模拟提供了行之有效的计算方法. 通过两个颗粒和多个颗粒的数值模拟, 得到的颗粒间碰撞力、碰撞位置及次数, 与理论计算结果的相对误差均低于2%, 与传统的DEM碰撞搜索算法相比, 在选取的3种计算时间步均不会影响计算精度, 且有较高的计算效率. 通过多个颗粒与流体的耦合数值模拟, 采用传统的CFD-DEM方法, 只有颗粒计算时间步选取10$^{-6}$ s或更小才能得到精确解, 而采用本文方法取10$^{-4}$ s也能够得到精确解, 避免了颗粒碰撞随时间步增大而出现的漏判问题, 且计算耗时降低了16.7%.      

流固耦合分析的载荷映射开放式软件架构设计

基于开放式工程与科学计算软件平台SiPESC设计实现了流固耦合分析流场载荷映射软件架构。软件的核心问题是解决计算流体力学(CFD)网格模型与计算结构力学(CSD)网格模型交互界面网格不匹配情况下的流-固载荷映射问题。软件采用插值方法将流场分析得到的物面载荷转换为结构分析的载荷边界条件。软件基于SiPESC平台的微核心+插件的开放式可扩展软件框架进行设计,依托SiPESC.ENGDBS工程数据库管理系统实现大规模数据管理。设计实现的软件框架提供了算法的灵活扩展接口与管理机制,可动态扩展新的插值算法,满足流固耦合分析需要的数据管理与数据转换需求。在该软件框架下,已实现了多种插值算法,并完成验证算例与工程算例的载荷数据转换。算例表明软件功能具备良好的工程适用性,为进一步开发与应用奠定基础。     

High-order discontinuous Galerkin solver on hybrid anisotropic meshes for laminar and turbulent simulations

Efficient and robust solution strategies are developed for discontinuous Galerkin （DG） discretization of the Navier-Stokes （NS） and Reynolds-averaged NS （RANS） equations on structured/unstructured hybrid meshes. A novel line-implicit scheme is devised and implemented to reduce the memory gain and improve the computational eificiency for highly anisotropic meshes. A simple and effective technique to use the mod- ified Baldwin-Lomax （BL） model on the unstructured meshes for the DC methods is proposed. The compact Hermite weighted essentially non-oscillatory （HWENO） limiters are also investigated for the hybrid meshes to treat solution discontinuities. A variety of compressible viscous flows are performed to examine the capability of the present high- order DG solver. Numerical results indicate that the designed line-implicit algorithms exhibit weak dependence on the cell aspect-ratio as well as the discretization order. The accuracy and robustness of the proposed approaches are demonstrated by capturing com- plex flow structures and giving reliable predictions of benchmark turbulent problems.     

板壳畸变单元的无网格和有限元自动耦合方法

板壳大变形时单元的严重畸变会使计算精度降低。无网格局部Petrov-Galerkin法是一种真正的无网格方法,能够消除网格畸变,但比有限元法计算效率低。根据板壳网格畸变的局部性特点,利用过渡单元法,基于板壳网格质量,建立了板壳的网格严重畸变区域由有限元分析切换为无网格分析的自动耦合算法,实现了有限元法和无网格局部彼得罗夫．迦辽金法的耦合。应用实例表明：通过自适应耦合,既能发挥有限元法计算效率高的特点,又能发挥无网格法适合大变形分析、没有网格畸变造成计算困难的特点。     

AN IMPROVED IRS METHOD FOR STRUCTURE MODEL CONDENSATION1)

模型缩聚法在结构的静力和动力特性分析中有着广泛的应用。应用模型缩聚法,可以有效降低结构的有限元计算规模,节省计算时间和成本,并能获得和实验测量自由度相匹配的有限元模型。本文在改进模型缩聚方法(improved reduced system, IRS)的基础上,提出一种考虑二阶惯性量的改进IRS方法,有效改进了IRS方法的计算精度,和模型缩聚迭代法(iterated IRS, IIRS)相比,此方法计算量更小且计算精度更高。以桁架结构和框架结构为例对所提二阶IRS方法进行了验证,并将计算结果与精确值、Guyan缩聚解、IRS缩聚解和IIRS缩聚解进行了比较,结果表明了所提方法计算精度最好,具有良好的工程应用前景。     

Application of the GSMAC-CIP Method to Incompressible Navier-Stokes Equations at High Reynolds Numbers

The conventional shape function for the finite-element method (FEM) is linear, and it is thus inadequate for analyzing numerically complex flows at high Reynolds numbers. In this study, we propose a new scheme, GSMAC-CIP, using the third-order shape function, which requires continuity of the value of the function and its first space derivative in the whole space and is formulated by a finite element method for the cubic interpolated pseudo-particle (CIP) method. We verified the effectiveness of this new scheme by analyzing the forced-driven convection in a square cavity at Re = 1000, 5000 and 10000. The numerical results obtained by the present scheme are compared with those of GSMAC-FEM using coarser meshes, and it is shown that the present scheme is superior to GSMAC-FEM in terms of space accuracy. Moreover, it is shown that the numerical results obtained by the present scheme using fine meshes were in precise agreement with those obtained by Ghia et al.     

二阶流形元法与结构变形分析

在原有一阶流形元法的基础上开发了二阶流形元法数值仿真模型和相应的计算程序，并给出了计算实例。结果表明，二阶流形元法可以以较高的精度分析一般结构的变形和接触应力问题，对大变形问题独有优势。并能很好地模拟不连续介质的破坏过程及块体破坏后的运动。     

Anisotropic adaptive finite element method for magnetohydrodynamic flow at high Hartmann numbers

This paper presents an anisotropic adaptive finite element method (FEM) to solve the governing equations of steady magnetohydrodynamic (MHD) duct flow. A residual error estimator is presented for the standard FEM, and two-sided bounds on the error independent of the aspect ratio of meshes are provided. Based on the Zienkiewicz-Zhu estimates, a computable anisotropic error indicator and an implement anisotropic adaptive refinement for the MHD problem are derived at different values of the Hartmann number. The most distinguishing feature of the method is that the layer information from some directions is captured well such that the number of mesh vertices is dramatically reduced for a given level of accuracy. Thus, this approach is more suitable for approximating the layer problem at high Hartmann numbers. Numerical results show efficiency of the algorithm.     

Multiscale simulation of flow and heat transfer of nanofluid with lattice Boltzmann method

Based on the lattice Boltzmann (LB) approach, a novel hybrid method has been proposed for getting insight into the microscale characteristics of the multicomponent flow of nanofluid. In this method, the whole computational domain is divided into two regions in which different-sized meshes are involved for simulation (fine mesh and coarse mesh). The multicomponent LB method is adopted in the fine mesh region, and the single-component LB approach is applied to the coarse mesh region where the nanofluid is treated as a mixed single-component fluid. The conservation principles of mass, momentum and energy are used to derive a hybrid scheme across the different scaled regions. Numerical simulation is carried out for the Couette flow and convective heat transfer in a parallel plate channel to validate the hybrid method. The computational results indicate that by means of the present method, not only the microscopic characteristics of the nanofluid flow can be simulated, but also the computational efficiency can be remarkably improved compared with the pure multicomponent LB method.     

高阶数值流形方法的初应力公式

高阶数值流形方法和高阶DDA方法可以显著提高结构变形的计算精度,但目前涉及几何非线性问题的研究成果大都计算精度差甚至不收敛,这是由高阶初应力公式的不准确或不正确引起的。本文介绍数值流形方法的大变形计算格式,基于平面三角形数学网格和多项式覆盖函数,提出高阶流形法的两种初应力处理方法,首次导出了高阶初应力的准确公式。该公式在分步计算的初应力累加中考虑了大变形结构的构形变化,并将初应力表示成多项式函数形式以满足单纯形积分的要求。文中给出的悬臂梁大变形数值算例与理论解的对比结果证明了方法的正确性。本文的方法和公式也适用于三维四面体数学网格,稍加修改后将可应用于高阶DDA方法和常规的有限元方法。     

An analytical interface reconstruction algorithm in the PLIC‐VOF method for 2D polygonal unstructured meshes

Piecewise linear interface calculation (PLIC) schemes have been extensively employed in the volume‐of‐fluid (VOF) method for interface capturing in numerical simulations of multiphase flows. Polygonal unstructured meshes are often adopted because of their geometric flexibility and superiority in gradient calculation. An analytical interface reconstruction algorithm in the PLIC‐VOF method for arbitrary convex polygonal cells has been proposed in this study. The line interface at a given orientation within a polygonal cell is located by an analytical technique. It has been tested successfully for four different geometric shapes that are common in polygonal meshes. The computational efficiency of the present algorithm has been compared with several published schemes in the literature. The proposed algorithm has been shown to yield higher accuracy with reduction in computational complexity. A numerical simulation of a dam‐breaking problem has been performed using the proposed analytical PLIC technique on polygonal meshes. The results are in good agreement with experimental data available in the literature, which serves as a demonstration of its performance in a real multiphase flow.     

随机振动问题的广义坐标合成法

工程中的随机振动分析多采用完全二次型组合法(CQC)及其改进算法,如虚拟激励法(PEM)和谐波激励法(HEM)。广义坐标合成法(GCS)提出了一种计算随机响应的新思路,其基本原理是将物理空间的计算转移到自由度较小的振型空间进行,从而缩减了计算量和计算规模。对于较大规模结构体系的随机振动问题,GCS方法计算响应协方差矩阵的计算量只相当于PEM的2r/sT,其中s、r和T分别为激励功率谱矩阵的秩、振型总数和离散频率点数。此外,对于给定激励时程的问题,由于GCS方法直接求解广义坐标运动方程,因而可以方便得出响应时程。通过对几种方法的详细对比,说明对于大多数只需要求解响应方差的随机振动问题,GCS是最优的计算方法。PEM只有在s相似文献