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1 篇 复杂流动
1 篇 并行计算
1 篇 数值模拟
1 篇 多块结构网格
1 篇 网格细分
1 篇 roe格式
1 篇 通量限制器
1 篇 并行效率

机构

1 篇 西安电子科技大学

作者

1 篇 郑秋亚

语言

1 篇 中文

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排序：

基于Navier-Stokes方程的复杂流动数值模拟精度与并行计算研究

基于Navier-Stokes方程的复杂流动数值模拟精度与并行计算研究

引用

作者：郑秋亚西安电子科技大学

学位级别：博士

随着计算机和计算技术的发展,计算流体力学(CFD)在工程应用中取得了长足的进步,在航空、航天、石油、能源等工业领域发挥着巨大的作用.如今,CFD技术已经成为航空、航天飞行器气动设计中的必要手段.但是CFD还存在一些具有挑战性的问题.当... 详细信息

随着计算机和计算技术的发展,计算流体力学(CFD)在工程应用中取得了长足的进步,在航空、航天、石油、能源等工业领域发挥着巨大的作用.如今,CFD技术已经成为航空、航天飞行器气动设计中的必要手段.但是CFD还存在一些具有挑战性的问题.当CFD用于解决复杂流动问题时,其精度和效率仍然是CFD研究人员面临的难题.本文主要围绕CFD的计算精度和效率问题开展了研究,并进行了实际外形的空-空导弹复杂流动数值模拟.本文主要工作概括如下： 1.基于超立方体概念,提出了一种通用的绕翼身组合体外形的高质量多块拼接结构化网格构建方法.用这种方法生成了绕DLR-F4翼身组合体外形的三套不同密度的“超立方体”计算网格.通过求解雷诺平均Navier-Stokes (RANS)方程耦合Baldwin-Lomax (BL)代数模型和Spalart-Allmaras (SA)一方程模型,数值模拟了DLR-F4翼身组合体流场.在“超立方体”网格上获得了与实验数据吻合良好,且优于其他软件和其他网格的计算结果.研究表明：本文高质量网格构建方法可行,用此方法生成的网格质量高.这种网格构建方法适用于任意具有相似外形的翼身组合体网格生成. 2.选用AIAA第二界阻力研讨会(DPWⅡ)提供的粗、中、细不同密度的多块结构对接网格,通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程耦合Spalart-Allmaras(S A)、Wilcox's k-ω(Wilcox)和Menter's k-co SST (SST)三种湍流模型,数值模拟了DLR-F6翼/身(WB)和翼/身/挂/舱(WBNP)两种外形的流场.研究了阻力计算精度、考察了网格和湍流模型对组合体构型总体气动特性的影响.计算采用Roe格式以准确地捕捉激波.为提高格式的精度、消除激波附近的非物理振荡采用了MUSCL (Monotone Upstream centered Scheme for Conservation Laws)插值和三阶迎风偏置限制器.通过一系列精心设计的测试算例,基于SA湍流模型考察了CFD对网格尺度的敏感性,评估了三种不同湍流模型的性能.取得了与实验符合良好的计算结果.SA模型预测的翼身组合体的总体阻力优于其他软件的结果.与实验对比发现：使用SA湍流模型,网格密度对压差阻力影响较大,对机翼和吊舱表面的压力系数分布影响较小；湍流模型对机翼表面的激波位置有影响,对阻力尤其是摩擦阻力影响较大,对翼根处的流动分离有影响,SA模型预测的分离区最大,而Wilcox预测的最小.总体来说,SST模型的计算结果与实验数据最接近,预测的阻力一致小于SA和Wilcox模型的阻力；SA模型的升力与实验吻合较好；Wilcox模型高估了升力和阻力.计算还发现,与实验相同攻角的条件下运行CFD程序,获得的机翼表面压力系数分布与实验吻合较好,而与之相匹配升力条件下的结果不然. 3.通过求解多个标准模型的流动问题,系统地分析研究了低耗散E-CUSP (LDE)迎风格式在可压缩流动中的性能.对比格式选用广泛使用的Roe格式,控制方程为Euler或雷诺平均Navier-Stokes方程耦合Spalart-Allmaras (SA)湍流模型,采用全隐式无分裂Gauss-Seidel线松驰时间推进方法.计算表明：LDE格式能够准确地捕捉陡峭激波,计算结果与实验数据吻合良好.相对于Roe格式,LDE格式由于不需要矩阵运算,所以计算量小、收敛速度快.进一步使用LDE格式耦合SA模型数值模拟了绕细长旋成体超声速、大攻角分离流动.准确地模拟了背风面的流动分离和主分离涡的发展过程；捕捉到了精细的二次涡和具有相当分辨率的横向分离.预测到的力和力矩与实验吻合良好.研究表明,LDE格式耦合SA模型具有高的模拟精度和计算效率、鲁棒性好,可用于模拟复杂的分离流动. 4.通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程耦合Spalart-Allmaras湍流模型数值模拟了具有复杂外形的多翼空-空导弹复杂流场.计算方法为有限体积多步Runge-Kutta时间推进方法.用求解椭圆型偏微分方程并结合代数方法生成了连续拼接多块结构化网格.对具有滚转角或无滚转角的多翼空-空导弹的气动力和力矩进行了计算,获得了与实验数据吻合良好且优于其它程序的计算结果. 5.提出了拆分方式有限制的目标为极小化最大完工时间的平行机排序问题.与以往研究不同,对工件的拆分方式进行了限制,该问题是NP难的.发展了求解该问题的一个近似算法,并用此算法解决了异构并行机系统并行计算中的负载平衡问题.通过实验仿真,并与传统方法相比较,验证了这个算法的可行性和有效性.将上述排序问题的研究成果应用于基于分区策略的CFD并行计算,针对异构并行环境,给出了一种负载平衡算法,解决了异

关键词： Navier-Stokes方程复杂流动阻力计算精度多块结构网格网格细分数值模拟湍流模型 Jameson中心差分格式 Roe格式 E-CUSP迎风格式 MUSCL插值通量限制器显式五步龙格库塔方法隐式LU-SGS方法全隐式无分裂Gauss-Seidel线松驰方法排序极小化最大完工时间并行计算负载平衡并行效率算法的可扩展性翼身组合体

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