基于自适应直角坐标网格的重叠网格方法研究

发布时间：2017-07-26 16:12

  本文关键词：基于自适应直角坐标网格的重叠网格方法研究

  更多相关文章： 计算流体力学 多体分离 非定常流动 重叠网格 自适应直角坐标网格

【摘要】：多体分离是航空航天中普遍存在的一类问题,如战斗机内埋式武器投放、火箭助推级分离、人椅弹射系统等。在该类问题绕流中,存在相对运动的物体之间的复杂非定常流场会造成强大的气动干扰,这种气动干扰往往是不利的,严重时甚至会威胁到飞行器的飞行安全。过去,研究此类问题的主要手段是飞行试验和风洞实验,然而它们存在着风险大、成本高、周期长等弊端。近年来,计算流体力学的迅猛发展使得其在处理此类问题中得到了广泛的应用。动态重叠网格技术在研究此类问题时无需网格再生,并能很好的保证网格质量,非常适合于处理具有大幅相对运动的复杂非定常绕流问题。结构重叠网格和非结构重叠网格都可以准确地对流场进行数值模拟,但为了避免重叠网格插值带来的数值耗散,需要调整边界处的网格尺度,使多套子网格在重叠网格边界处的网格尺度基本保持一致。受限于结构网格和非结构网格的数据结构特点,保证重叠网格边界处的网格尺度一致性往往是以增加网格数量为代价的,这对计算机资源提出了更高的要求,同时也降低了数值计算的效率。为此,本文发展了一种基于自适应直角坐标网格的混合重叠网格方法,并开发了相应的动态混合重叠网格求解程序。在这种方法中,直角坐标网格可以基于洞边界进行自适应加密和稀疏,在保证重叠网格边界处网格尺度一致性的前提下降低了计算网格数量,提高了计算效率。本文首先对数值计算方法进行了介绍,采用了混合网格求解器,即内部贴体网格采用结构网格求解器,背景网格采用自适应直角坐标网格求解器,流动控制方程采用定常/非定常Euler/N-S方程,运用有限体积方法对控制方程进行空间离散,采用Jameson中心格式计算对流通量,定常时间离散采用四步Runge-Kutta迭代,非定常时间离散方法为显式双时间步长法,湍流模型选用S-A模型;其次,对混合重叠网格的装配方法进行了深入研究,采用了非结构重叠网格中的网格间边界定义方法,在搜索宿主单元时,采用了高效的相邻单元搜索算法;最后,发展了一种基于自适应直角坐标网格的动态混合重叠网格方法,通过标准算例对该方法的正确性进行了验证,并开展了一系列的数值算例研究,结果表明该方法对于模拟多体分离问题是极其高效和有效的。
【关键词】：计算流体力学 多体分离 非定常流动 重叠网格 自适应直角坐标网格
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V211.3
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 注释表11-12
• 缩略词12-13
• 第一章 绪论13-20
• 1.1 研究背景及意义13-14
• 1.2 动态网格技术14-16
• 1.2.1 网格变形技术14-15
• 1.2.2 网格再生技术15
• 1.2.3 重叠网格技术15-16
• 1.3 基于自适应直角坐标网格的重叠网格研究现状16-17
• 1.4 本文的主要工作与特色17-18
• 1.4.1 本文主要工作17-18
• 1.4.2 本文特色18
• 1.5 本文内容安排18-20
• 第二章 流场数值计算方法20-39
• 2.1 引言20
• 2.2 控制方程20-22
• 2.3 空间离散22-26
• 2.3.1 有限体积方法22-24
• 2.3.2 JAMESON中心格式24-25
• 2.3.3 粘性通量项25-26
• 2.4 边界条件26-30
• 2.4.1 物面边界条件27-28
• 2.4.2 远场边界条件28-30
• 2.5 时间离散方法30-34
• 2.5.1 定常时间离散方法31-32
• 2.5.2 非定常时间离散方法32-34
• 2.6 湍流模型34-35
• 2.7 数值算例验证35-38
• 2.7.1 基于自适应直角坐标网格的方块无粘绕流36-37
• 2.7.2 NACA0012 翼型粘性绕流37
• 2.7.3 RAE2822 翼型粘性绕流37-38
• 2.8 本章小结38-39
• 第三章 基于自适应直角坐标网格的混合重叠网格方法39-59
• 3.1 引言39
• 3.2 重叠网格间边界定义39-43
• 3.2.1 网格单元分类方法40
• 3.2.2 网格单元物面距40-41
• 3.2.3 混合重叠网格间边界定义41-43
• 3.3 宿主单元搜索方法43-46
• 3.4 自适应直角坐标背景网格生成方法46-50
• 3.4.1 初始直角坐标网格的生成46-47
• 3.4.2 直角坐标网格的自适应加密及稀疏47-49
• 3.4.3 网格光顺49-50
• 3.4.4 网格数据结构转换50
• 3.5 重叠网格间信息插值50-54
• 3.5.1 插值边界的构造51-53
• 3.5.2 双线性插值方法53-54
• 3.6 数值验证54-58
• 3.6.1 重叠网格装配测试54-55
• 3.6.2 RAE2822 翼型定常粘性绕流55-57
• 3.6.3 三圆球定常粘性绕流57-58
• 3.7 本章小结58-59
• 第四章 动态混合重叠网格方法及其在动边界非定常数值模拟中的应用研究59-78
• 4.1 引言59
• 4.2 刚体三自由度运动方程与动网格N-S方程耦合59-61
• 4.2.1 刚体三自由度运动方程59-60
• 4.2.2 动网格N-S方程60-61
• 4.3 动态混合重叠网格方法61-62
• 4.4 振荡翼型非定常数值模拟62-66
• 4.5 动态混合重叠网格在多体分离问题中的应用研究66-77
• 4.5.1 二维外挂物投放数值模拟66-71
• 4.5.2 内埋式动能球分离数值模拟71-77
• 4.6 本章小结77-78
• 第五章 总结与展望78-80
• 5.1 全文总结78-79
• 5.2 今后工作展望79-80
• 参考文献80-84
• 致谢84-85
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文85

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