摘要：为了让高精度数值格式在含间断和小尺度涡等复杂结构的超声速无粘可压缩流动情况下,仍能鲁棒地捕捉激波并快速得到流场高保真的模拟结果,研究了以子模板导数组合为基础的光滑度量算法,构造了精度与鲁棒性兼顾的新型间断探测器,使间断识别对小尺度涡也具有高分辨率;研究了混合加权紧致非线性格式(weighted compact nonlinear scheme, WCNS)方法,对流场中的光滑与间断区域分别使用线性与非线性加权格式求解,从而克服单一非线性格式在光滑区分辨率难以达到设计精度的问题。数值实验表明,使用新型间断探测器的混合WCNS格式对一维、二维Euler方程模拟结果良好,并且相比于在全流场使用局部特征分解的原始WCNS方法有计算效率的提高。

摘要：在激波捕捉求解器计算的可压缩无黏流场基础上,提出了一种探测并识别二维激波干扰模式的新算法,从3个层面详细介绍了该算法的实施流程。首先,采用基于当地流场参数设计的传统激波探测方法,辨识出激波附近的一系列网格单元;其次,通过经典的K-means聚类算法将这些激波单元划分成许多簇,并根据簇的相邻信息定义每个簇的类别;最后,设定相关准则对某些紧邻的簇进行合并,进而确定各个激波干扰点的位置,记录各条激波分支所对应的簇,采用Bézier曲线拟合算法分别对其聚类中心进行拟合以获取更加光滑的激波线。数值试验表明,该算法不受网格类型的限制,不仅可以保证最终拟合的激波线具有较高的位置精度,还可以清晰地识别出流场中多激波干扰的模式,同时对分析非定常流场中激波的运动与演化过程也提供了一种有效的可视化手段。

摘要：高速流场的数值模拟中,既要保证对小尺度结构的高保真分辨,又要实现对激波稳定、无振荡地捕捉.当前工程中广泛应用的高精度数值格式虽然都能一定程度地满足上述两种要求,但仍与理想目标存在较大差距.例如,模拟雷诺应力模型等小尺度问题时,高精度格式在间断解附近易产生数值振荡.基于高精度格式所存在的上述问题,本文引入去尺度函数,探索了一种更加简单稳定的非线性权重构造方法,并将其应用于7阶精度加权紧致非线性格式WCNS,提出了一种尺度无关的7阶WCNS格式.该格式的性能与灵敏度参数和尺度因子的选择无关,并且在小尺度下仍可以有效捕捉流场激波.同时,该格式在间断处具有基本无振荡性质,且在任意尺度函数下保持尺度无关,并且在极值点处也能保持最优精度.本文还推导了7阶D权函数的形式.最后,在一维线性对流方程中验证了新格式在流场光滑区能够达到设计精度,并通过一系列数值实验证明了尺度无关的7阶WCNS格式在激波捕捉能力上具有良好表现,为WCNS格式改进和解决可压缩湍流等非线性问题提供了一种新途径.

摘要：由于映射操作会带来额外的计算时间消耗,传统加映射的WENO格式存在计算效率低的缺陷.为了提高传统加映射WENO格式的计算效率,通过利用标准符号函数的一种近似逼近函数构造出一族近似常值映射函数,本文提出了一种新的加映射WENO格式,称为WENO-ACM.新映射函数满足文献中已有WENOPM6格式映射函数的全部设计要求,其中WENO-PM6是一种为了克服经典WENO-M格式潜在的精度丢失缺陷而提出的格式.新格式保留了WENO-PM6在低耗散和高分辨率方面的优势,同时,显著的减少了每个时间步映射过程中的数学运算操作数,进而在计算效率方面获得了明显的提升.理论分析表明,新格式在即使包含临界点的光滑区域也能够获得最佳收敛精度.对近似色散关系的研究表明,新格式的频谱特性也得到了显著的提升.对大量标准测试算例进行了模拟计算,包括精度测试、激波管问题、激波-熵波相互作用、爆炸波相互碰撞、二维黎曼问题、双马赫反射、前台阶流动、瑞利-泰勒不稳定性和开尔文-亥姆霍兹不稳定性问题等.与广泛认可的WENO-JS, WENO-M, WENO-PM6格式综合比较发现,新提出的WENO-ACM格式在高效率、低数值耗散和间断捕捉等方面都有显著的改进.最重要的是,与WENO-M和WENO-PM6格式相比, WENOACM将相对于WENO-JS格式的额外计算时间消耗分别减少了80%和90%以上.

摘要：从加权紧致非线性(WCNS)高精度有限差分格式出发,在其重构形式的基础上,根据边界变差最小(BVD)原理,遵循单元边界两侧重构物理量值之差最小的准则,在每个单元内通过两步空间重构,构造了一种新的高精度有限差分格式。一般对WCNS等加权非线性格式的改进都是基于改善色散耗散特性、优化非线性权、提高分辨率等单一途径,将它们作为重构候补函数进行结合,既保持了各自优势所在,又能控制格式整体黏性,所得格式具有丰富的应用场景。通过数值实验,将结果与单一格式进行对比,新格式既能在流场光滑区保证设计的精度,对激波等间断附近的振荡也有很好的抑制作用,提高了对高波数区的分辨率,而且在长时间计算后也有较为精确的结果。面向广泛发展的数值格式,还可以构造出其他新方法,对包含强间断和多尺度的流动问题可以获得更好的结果。

摘要：WENO-Z+格式的性能提升依赖于新增项的作用,该项的作用是在WENO-Z格式的基础上进一步增大欠光滑子模板上的权重.系数λ被设置用来调控该项的作用,以避免负耗散.本文指出了WENO-Z+格式的缺陷,其所采用λ的取值方式既不能充分发挥格式的潜力,也未完全消除负耗散;提出λ的值应随当地流场数据变化,方能充分发挥新增项在降低数值耗散、提高分辨率上的潜力.基于此,本文重新设计了λ的计算公式,该公式能自适应地调控新增项的作用:只在欠光滑子模板上的权重容易过度增大的地方削弱该项的作用,以避免负耗散;在其他地方则充分发挥新增项的作用,最大限度增大欠光滑子模板上的权重,提高格式的分辨率.将使用该系数公式的新格式命名为WENO-Z++,并对其数值性能进行了系统的研究.理论分析表明,新格式在间断处具有基本无振荡(essentially non-oscillatory,ENO)特性和更低的数值耗散.对近似色散关系(approximate dispersion relation,ADR)的研究表明,新格式有效地避免了因过度增大欠光滑子模板上的权重而带来的负耗散,其频谱特性也得到了显著提升.本文还推导了使新格式在极值点处也能保持最优阶的精度的参数设置.一系列求解Euler方程的数值试验表明,新格式的激波捕捉能力和对复杂流场结构的分辨率都显著优于原WENO-Z+格式.

摘要：两级入轨空天运输系统具有难度较低和经济性好的优点,级间分离是该运输系统设计的一项关键技术。相比前后串联级间分离,两级入轨上下两级间存在严重的激波相互干扰,直接影响分离物体的气动力矩。为了更好地模拟分离过程中两级之间的运动激波多次反射问题,本文结合非结构混合网格分布优化技术和压力比值激波识别技术,建立了用于级间分离运动过程的并行网格动态优化技术。基于计算流体力学软件NNW-FlowStar,完成了两级入轨运输系统并联分离过程的数值模拟。结果表明,采用网格动态优化技术,可实现级间复杂激波的精细捕捉,更精准地获得了强干扰下飞行器的气动特性,显著提高了并联分离过程中运动轨迹和姿态的预测精度。

摘要：为了改进迎风型对流通量格式的激波捕捉计算稳定性,对迎风格式产生数值激波不稳定现象的原因进行分析,并且在分析结果基础上构造新型迎风型格式。为此,首先设计了数值算例,分析非结构网格上迎风格式出现数值激波不稳定现象的主要影响因素。结果表明,在一定条件下,网格和流动状态共同作用导致产生不合理的数值结果,并影响计算的稳定。其中,网格间的动量通量对数值激波不稳定现象影响显著。因此,基于TV格式构造了一种自适应调节动量通量耗散项的混合格式,从而在激波附近引入耗散,抑制扰动的产生和传播。数值计算结果显示新型混合格式在非结构网格离散条件下能够稳定地捕捉激波,同时混合格式保持了TV格式原有的黏性流动计算分辨率。

摘要：Burgers方程为Navier-Stokes方程组的简化形式,在计算数学和计算流体力学领域中有着广泛应用.本文设计了粘性Burgers方程的高阶精度半隐式加权紧致非线性格式(WCNS),并给出了稳定性分析.方程对流项和粘性项分别采用五阶精度WCNS格式和四阶中心差分格式计算.半离散系统采用三阶精度IMEX Runge-Kutta方法计算,对流项和粘性项分别进行显式和隐式处理.数值结果表明IMEX Runge-Kutta WCNS格式可达到三阶时间精度和五阶空间精度,比显式TVD Runge-Kutta WCNS格式计算效率高,且具有高分辨率的激波捕捉能力.