旋转坐标系中 3D 跨音速欧拉流的有限体积 - TVD 格式

旋转坐标系中 3D 跨音速欧拉流的有限体积 - TVD 格式

一、转动坐标系中三维跨声速欧拉流的有限体积-TVD格式(论文文献综述)

陈浩[1](2012)在《有限体积法在结构动力及可靠性分析中的应用》文中进行了进一步梳理为保证工程中的各类结构在使用期限内能够完成规定的功能而不发生破坏,就需要对其在各种载荷作用下的应力和变形做出正确的计算。但是由于结构和边界条件的复杂性不同,大多数问题的解是无法通过理论分析得出的。实验虽然能够得到较准确的解,但对于各种大型工程结构往往需要耗费大量的资源,有些受实验条件的限制甚至是不可能完成的,这就促使学者们越来越关注数值方法。经过多年的发展,各种商用数值模拟软件已经能够很好地解决各类动力学响应问题,但对于结构可靠性却远没有达到实用化的程度,特别是瞬态动力学结构可靠性问题,无论是在理论上还是计算方法上还都处于探索阶段,开展相关研究具有重要意义。有限体积法在流体流动和传热数值计算领域内应用很广。和其它的数值计算方法,如有限差分法、有限单元法、边界元法等相比较,有限体积法的基本思想十分简洁,方程的离散和程序的实现都比较容易。而且用其导出的离散方程,物理意义上表示的是因变量在有限大小的控制体积中的守恒原理。基于以上优点,本文将有限体积法进一步扩展到结构动力学和结构可靠性等固体力学问题上,并开发了一套数值仿真程序。有限体积法将连续体离散成有限个四面体,然后按一定的规则形成网格节点所代表的控制体积,网格的节点上存储有速度、加速度和位移等物理量信息;然后将动量方程直接在控制体积上进行积分。为了便于求控制方程在控制体积上的积分,假设网格内的应力为常量。对于塑性动力学问题,为了便于计算结构的塑性变形,将应力更新分解为压力更新和偏应力更新两部分,压力由状态方程进行更新,而偏应力则由材料的本构方程进行更新。具体计算时,由于采用的是增量形式的本构方程,所以会用到应力率,由于柯西应力率是受刚体转动影响的非客观量,所以文中引入了不受转动影响的焦曼应力率。在一些碰撞、冲击问题中,往往会在应力波的波阵面两侧形成强间断,这会给动力学微分方程的求解带来很大的困难,本文通过引入人工体积黏性来克服该困难。在求解方程时,采用的是显式中心差分格式,该格式是条件稳定的,所以对求解时间步进行了讨论。通过典型算例进行了数值模拟,与有限单元法和实验结果的对比表明,在求解精度上,有限体积法与有限单元法具有相当的精度,都能满足工程需要;但在计算效率上,有限体积法要高于有限单元法。基于确定性有限体积法的控制方程,推导了随机有限体积法的控制方程,给出了随机方程的求解过程。将有限体积法的控制方程对基本随机变量求偏导,求得了结构动响应对基本随机变量的偏导数;为了求解结构动响应的统计特征,将响应量在基本随机变量的均值点处进行Taylor展开,求得了随机动响应的均值和方差等统计特性。计算了随机载荷作用下板的随机动响应问题,并对结构随机动响应的变异系数做了详细讨论。基于结构动力学可靠性的首次超越准则建立了可靠性的安全余量方程,将有限体积法与求解结构可靠度问题的蒙特卡洛法、验算点法以及响应面法相结合,给出了不同方法求解结构动力可靠性问题的求解过程。最后利用前述方法求解了爆炸载荷作用下板的动力可靠度问题。通过不同方法之间的对比可知,蒙特卡洛法作为精确解的近似,拥有最高的求解精度,但其效率很低,无法应用在大型工程中。而基于随机有限体积法的验算点法与基于随机有限体积法的响应面法都能够满足工程应用的要求;但在可靠度计算精度和效率上,前者都高于后者。目前的商业软件中,对固体力学问题的求解大多采用有限单元法,而本文开发的计算程序为计算动力学和可靠性问题提供了一个全新的数值仿真平台。而且由于拥有自主知识产权和源代码,可以很方便地根据工程需要进行修改。

王保国,吴俊宏,朱俊强[2](2010)在《基于小波奇异分析的流场计算方法及应用》文中进行了进一步梳理首次将三维小波以及二维小波奇异性分析的思想引进三维以及二维复杂流场的数值计算,发展了一种高效率、高精度、高分辨率的方法.该算法的核心是获取流场中物理量在不同空间点的Hlder指数α,而该指数α的获取又依赖于小波变换以及高维(即二维或三维)小波分析技术.在三维与二维欧氏空间中,为进行小波多分辨分析,需要在尺度空间与小波空间分别引进尺度基与小波基.对二维问题,尺度基与小波基的基底要由1个尺度函数与3个小波函数组成,而三维时要由1个尺度函数和7个小波函数组成.借助于小波奇异分析所找到的流场中奇异点区域与光滑区域,便可分别选用高分辨率、高精度的WENO(weighted essen-tial non-oscillatory)格式与高精度中心差分格式进行流场的离散求解.一系列二维(即,①二维前台阶问题的Euler流;②二维双马赫反射的Euler流;③着名的二维Riemann问题;④跨声速RAE2822翼型二维绕流;⑤跨声速VKI-LS 59二维涡轮叶栅绕流)与三维(即,⑥跨声速轴流压气机转子NASA(National Aeronauticsand Space Administration)Rotor 37三维黏性绕流;⑦跨声速风扇转子NASA Rotor 67三维黏性绕流)算例表明:该方法的计算效率比传统的WENO格式有较大的提高,大部分典型算例能够提高35倍,而且可以获取复杂流场中高分辨率的激波结构以及涡系分布,可以得到与有关实验数据较为吻合的数值结果.

高旭东[3](2002)在《复杂旋转侧喷流场数值模拟》文中研究说明本文首次完成了高速旋转弹丸侧喷三维干扰湍流流场的数值模拟,分析了弹丸侧喷流场复杂的波系结构,研究了高速旋转、攻角、底喷等因素对弹丸侧喷流场的影响规律,深入分析了旋转侧喷弹丸的空气动力学特性。 在旋转坐标系下,发展了一种含旋转源项的雷诺平均Navier-Stokes方程的三维有限体积TVD格式,时间离散采用隐式Euler方法。在非定常计算中,采用Jameson提出的双时间推进方法改进时间精度。湍流模型采用高雷诺数k-ε两方程模型。在改进传统网格生成方法的基础上,结合投影映射、分区拼接技术生成了弹丸侧喷流场单一区域三维计算网格,在侧喷流喷口边界实现了网格贴体化。 系统研究了低阻远程弹丸在小攻角状态,低跨声速、高跨声速和超声速时的非对称绕流流场,为该弹形气动力研究提供理论指导并为弹丸侧喷流研究奠定基础,结果显示低阻远程弹丸外形具有优化绕流场、减小空气阻力的特点。对分区计算技术在弹丸绕流场数值模拟中的应用也进行了尝试,计算表明分区后计算稳定性有所下降。 在无旋转、无攻角条件下完成了弹丸侧喷三维干扰湍流流场数值模拟,并完成了弹丸底喷流-侧喷流共同干扰流场的一体化计算。弹丸侧喷流与绕流的相互干扰形成了包含喷口前激波、再附激波以及沿喷流边界发展的膨胀波等复杂的波系结构,并延伸影响到弹底部流动。研究表明,侧喷流与来流马赫数之比是影响绕流场的重要因素,该值越大则侧喷干扰越强烈,矩形和椭圆形两种侧喷口形状对侧喷流场干扰波系的影响并不明显。侧喷口前绕侧喷流的激波和侧喷流对弹底部流动的引射导致了弹丸波阻和底阻系数的增大。底喷流动具有添质加能和引射两种相反作用,并能消弱侧喷流对弹丸底部流动的影响。 为研究高速旋转对侧喷流绕流场的影响,进行了高速旋转弹丸侧喷三维干扰湍流流场的数值模拟。与无旋转情况对比表明,旋转对弹丸侧喷流以及底部流动均有影响,高速旋转导致侧喷射流向旋转来流方向倾斜,并减弱其对弹底流动的引射。在高速旋转弹丸底喷流-侧喷流共同干扰流场的计算中,发现高速旋转对底喷流动的影响没有对侧喷流动的明显。 采用双时间推进法成功进行了有攻角高速旋转光弹体绕流和弹丸侧喷流两种非定常流场的数值模拟。计算表明,两种非定常流场在经过约一个旋转周期之后形成非定常周期流场。光弹体弹丸表面压力表现为周期性波动,从计算中得到的马格努斯力系数与实验值十分吻合。弹丸侧喷流场干扰波系的空间结构、弹体表面压力和各种空气动力参数均表现为稳定的周期性波动。 系统分析了旋转侧喷弹丸复杂的空气动力学特性,分析了马格努斯力系数、法向力系数、偏航力矩系数、俯仰力矩系数和压力中心等参数的产生机理和变化规律。与光弹体相比,旋转侧喷弹丸的空气动力特性不仅在形成机理上发生了本质变化,而且在数值上表现出复杂的波动形式,这些特点将对旋转侧喷弹丸空气动力研究带来直接和深远的影响。

武频,赵润祥,郭锡福[4](2001)在《脱壳穿甲弹弹托分离二维数值模拟》文中指出采用 TVD有限体积格式对尾翼稳定脱壳穿甲弹弹托脱落时的流场进行了数值模拟。由于流场极其复杂 ,为了适应其特性 ,采用弧长法进行贴体网格生成 ,经计算 ,得出的结果与风洞试验较吻合

王保国,郭延虎,沈孟育,李荣先[5](1999)在《贴体曲线坐标系中恢复函数的一种构造方法及应用》文中研究表明本文在结构网格下,从三点迎风紧致逼近出发提出了一种适合于有限体积离散的恢复函数生成办法,在光滑区它具有三阶精度,并且在捕捉激波时有较高的激波分辨率。典型的几个内流算例表明:用该方法得到的恢复函数去计算数值通量时能得到与实验数据较接近的数值解。

王保国,郭延虎,沈孟育[6](1997)在《恢复函数的三点迎风紧致格式构造方法及应用》文中研究表明在结构网格下,从三点迎风紧致逼近出发提出了一种适合于有限体积离散的恢复函数生成办法,在光滑区它具有三阶精度,并且在捕捉激波时有较高的激波分辨率。文中完成了典型算例。

沈孟育,刘秋生,郭延虎,王保国[7](1996)在《跨音速压气机转子中三维湍流流场计算及涡系分析》文中研究表明从叶轮机械转动坐标系中的三维、可压、湍流、Reynolds平均N-S方程组出发,用Bald-win-Lomax湍流模式使方程组闭合;结合有限体积离散并采用隐式矢通量分裂技术;求解了西德宇航院(DFVLR)的单级跨音速压气机转子内的三维湍流流场。计算结果可分辨出该转子内三维流场的细微结构、激波的空间曲面;得到马蹄涡、通道涡、尾迹涡和角涡的形态及其发展,流场的三维性非常明显。计算得到的壁面极限流线图可反映出压气机中分离流动的拓扑结构

王保国,沈孟育[8](1995)在《高速粘性内流的高分辨率高精度迎风型杂交格式》文中研究指明本文在有限体积离散和LU分解的基础上,构造出一个新的隐式迎风型杂交格式,并用于求解定常流动的稳态解。该格式对Navier-Stokes方程无粘部分的数值通量采用Yee的三阶精度MUSCL型TVD格式,其粘性部分的导数用四阶紧致差分;离散后方程的隐式部分仍保持了LU快速求解的特征;该算法在时间上具有二阶精度。六个典型的内流算例表明:该格式计算稳定、捕捉激波分辨率高,能较好地模拟激波与边界层的干涉及激波反射等一些复杂的流动现象,与实验比较令人满意。

王保国,刘秋生,卞荫贵[9](1994)在《三维Euler方程的两种高效高分辨率算法及其在高速进气道中的应用》文中研究说明提出了两种计算三维Euler流场的有效算法:一种是作者提出并发展的三维LU-TVD杂交新格式;另一种是Euler方程空间七点三维强隐式新算法;两种算法都与有限体积离散相结合,而且都引进了高分辨率的机制,它们分别用于高速进气道三种工况的数值模拟,得到了满意的计算结果。

王保国,卞荫贵[10](1992)在《转动坐标系中三维跨声速欧拉流的有限体积-TVD格式》文中进行了进一步梳理在非惯性转动坐标系中,本文采用贴体网格、有限体积法离散和修正数值通量技术,将Harten的一维TVD格式推广到三维。由于转动使方程出现源项,文中通过对源项的巧妙处理,使修改后的格式能用于非齐次双曲守恒律方程组高分辨率的数值计算。为了加速解的收敛,提高显式时间推进的CFL数,本文采用隐式残值光顺技术。三维跨声速带非齐次源项欧拉方程的典型算例表明:捕捉的激波分辨率较高;激波前后没有发现大的数值波动和伪振荡现象;所得的跨声速流场解与实验较接近。

二、转动坐标系中三维跨声速欧拉流的有限体积-TVD格式(论文开题报告)

(1)论文研究背景及目的

此处内容要求:

首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景,再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题,并提出你的论文准备的观点或解决方法。

写法范例:

本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。

(2)本文研究方法

调查法:该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。

观察法:用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。

实验法:通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。

文献研究法:通过调查文献来获得资料,从而全面的、正确的了解掌握研究方法。

实证研究法:依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。

定性分析法:对研究对象进行“质”的方面的研究,这个方法需要计算的数据较少。

定量分析法:通过具体的数字,使人们对研究对象的认识进一步精确化。

跨学科研究法:运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。

功能分析法:这是社会科学用来分析社会现象的一种方法,从某一功能出发研究多个方面的影响。

模拟法:通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。

三、转动坐标系中三维跨声速欧拉流的有限体积-TVD格式(论文提纲范文)

(1)有限体积法在结构动力及可靠性分析中的应用(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 论文选题的背景和意义
    1.2 计算力学及其程序
        1.2.1 计算力学的主要方法
        1.2.2 计算力学软件
    1.3 有限体积法研究综述
        1.3.1 有限体积法的发展
        1.3.2 有限体积法与其它数值算法的比较
    1.4 本文章节安排及技术路线
第2章 有限体积法在三维弹性动力学中的应用
    2.1 引言
    2.2 有限体积法的基本思想
    2.3 有限体积法的网格
    2.4 有限体积法的控制方程和离散形式
        2.4.1 有限体积法的控制方程
        2.4.2 控制方程的离散
        2.4.3 边界条件
    2.5 时间积分的数值算法
    2.6 时间步长的控制
    2.7 算例分析
        2.7.1 悬臂梁的瞬态响应
        2.7.2 固支板的瞬态响应
    2.8 本章小结
第3章 有限体积法在塑性动力学中的应用
    3.1 引言
    3.2 材料本构关系
        3.2.1 初始屈服条件
        3.2.2 流动法则
        3.2.3 硬化法则
        3.2.4 应力-应变关系
    3.3 材料状态方程
    3.4 应力更新
        3.4.1 偏应力更新
        3.4.2 压力更新
        3.4.3 人工体积黏性
    3.5 时间步长的控制
        3.5.1 变步长的中心差分格式
        3.5.2 时间步长的控制
    3.6 算例分析
        3.6.1 两端固支梁
        3.6.2 Taylor 杆的冲击
    3.7 本章小结
第4章 基于有限体积法的结构随机动力学分析
    4.1 引言
    4.2 随机有限体积法的基本方程
        4.2.1 响应量的动力学统计特性
        4.2.2 响应量对基本随机变量的偏导数
        4.2.3 边界条件
    4.3 时间积分的数值算法
    4.4 结构的随机动力学响应分析
        4.4.1 算例分析
        4.4.2 结构随机动响应变异系数
    4.5 本章小结
第5章 有限体积法在结构动力可靠性中的应用
    5.1 引言
    5.2 结构动力可靠性的基本理论
    5.3 结构动力可靠性的失效准则
    5.4 基于有限体积法的结构可靠度求解方法
        5.4.1 蒙特卡洛随机有限体积法
        5.4.2 响应面的随机有限体积法
        5.4.3 验算点的随机有限体积法
    5.5 算例分析
        5.5.1 计算模型和可靠度功能函数的建立
        5.5.2 结构动力可靠度的求解和结果分析
    5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
攻读博士学位期间参与科研项目
致谢

(2)基于小波奇异分析的流场计算方法及应用(论文提纲范文)

1 小波多分辨奇异分析的理论基础
    1.1 在多维空间中H?lder指数的计算
    1.2 二维张量积小波分析
    1.3 三维张量积小波分析
    1.4 H?lder指数计算的具体实施过程
2 小波多分辨奇异分析的流场计算新方法
3 典型的7个算例及分析
    3.1 二维前台阶算例的Euler流
    3.2 二维双马赫反射的Euler流动
    3.3 着名的二维Riemann初值问题
    3.4 跨声速RAE 2822翼型的二维绕流问题
    3.5 二维跨声速VKI-LS 59涡轮叶栅的绕流计算
    3.6 NASA (National Aeronautics and SpaceAdministration) Rotor 37跨声速轴流压气机转子三维流场的黏性计算
    3.7 NASA Rotor 67跨声速风扇转子三维流场的黏性计算
4 结 论

(3)复杂旋转侧喷流场数值模拟(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
目录
主要符号说明
1 绪论
    1.1 研究背景
        1.1.1 现代弹药增程技术发展
        1.1.2 底排-火箭复合增程技术与旋转侧喷流的概念
        1.1.3 旋转侧喷流动研究的意义和内容
        1.1.4 弹箭流场数值模拟技术进展
    1.2 侧喷流动研究现状
        1.2.1 平板二维横喷干扰流场研究
        1.2.2 平板三维横喷干扰流场研究
        1.2.3 导弹及航天器三维横喷干扰流场研究
        1.2.4 弹丸侧喷干扰流场研究
    1.3 本文主要工作
2 三维隐式有限体积TVD数值格式
    2.1 引言
    2.2 基本方程
        2.2.1 相对坐标系下雷诺平均N-S方程
        2.2.2 k-ε两方程湍流模型
        2.2.3 壁面函数
    2.3 隐式有限体积TVD格式
        2.3.1 控制方程的积分和微分形式
        2.3.2 通量分裂
        2.3.3 对流通量空间离散
        2.3.4 时间离散
        2.3.5 粘性项和源项离散
        2.3.6 差分格式与求解方法
        2.3.7 湍流模型的离散求解
        2.3.8 收敛准则
    2.4 应用双时间推进法对数值格式的改进
    2.5 边界条件与初始条件
    2.6 算例
        2.6.1 三维双压缩斜面超声速湍流流动
        2.6.2 SOCBT弹丸超声速绕流
    2.7 本章小结
3 弹丸侧喷流场计算网格生成
    3.1 引言
    3.2 对两种网格生成方法的讨论
        3.2.1 Thompson生成方法
        3.2.2 弧长参数生成法
        3.2.3 网格加密措施及改进方法
    3.3 弹丸侧喷流场计算网格的生成
    3.4 本章小结
4 低阻远程弹丸绕流场数值模拟与分区算法应用
    4.1 引言
    4.2 低阻远程弹丸绕流场数值模拟及分析
    4.3 应用分区算法数值模拟Emery问题与弹丸绕流场
    4.4 本章小结
5 弹丸侧喷干扰流场数值模拟
    5.1 引言
    5.2 矩形喷口弹丸侧喷干扰流场数值模拟
        5.2.1 计算方案一
        5.2.2 计算方案二
    5.3 椭圆形喷口弹丸侧喷干扰流场数值模拟
    5.4 弹丸底喷-侧喷干扰流场数值模拟
    5.5 本章小结
6 高速旋转弹丸侧喷干扰流场数值模拟
    6.1 引言
    6.2 高速旋转弹丸侧喷干扰流场数值模拟
    6.3 高速旋转弹丸底喷-侧喷干扰流场数值模拟
    6.4 本章小结
7 有攻角高速旋转弹丸侧喷干扰非定常流场数值模拟
    7.1 引言
    7.2 有攻角高速旋转弹丸非定常流场数值模拟
        7.2.1 有攻角高速旋转锥形弹丸非定常流场数值模拟
        7.2.2 有攻角高速旋转SOCBT弹丸非定常流场数值模拟
    7.3 有攻角高速旋转弹丸侧喷干扰非定常流场数值模拟
    7.4 旋转侧喷弹丸复杂空气动力特性分析
        7.4.1 弹丸空气动力特性的有关概念
        7.4.2 旋转侧喷弹丸空气动力特性的计算结果分析
        7.4.3 旋转侧喷弹丸空气动力特性的分析
    7.5 本章小结
8 工作总结、创新点与展望
    8.1 本文工作总结
    8.2 本文创新点
    8.2 未来展望
致谢
参考文献
附图
攻读博士学位期间发表的学术论文

(4)脱壳穿甲弹弹托分离二维数值模拟(论文提纲范文)

1 网格坐标生成
2 数值计算格式
    2.1 TVD有限体积格式
    2.2 通量函数在不均匀网格中的修正
3 边界条件
4 结果与分析
    4.1 计算结果
    4.2 计算结果分析

四、转动坐标系中三维跨声速欧拉流的有限体积-TVD格式(论文参考文献)

  • [1]有限体积法在结构动力及可靠性分析中的应用[D]. 陈浩. 哈尔滨工程大学, 2012(02)
  • [2]基于小波奇异分析的流场计算方法及应用[J]. 王保国,吴俊宏,朱俊强. 航空动力学报, 2010(12)
  • [3]复杂旋转侧喷流场数值模拟[D]. 高旭东. 南京理工大学, 2002(01)
  • [4]脱壳穿甲弹弹托分离二维数值模拟[J]. 武频,赵润祥,郭锡福. 弹箭与制导学报, 2001(02)
  • [5]贴体曲线坐标系中恢复函数的一种构造方法及应用[J]. 王保国,郭延虎,沈孟育,李荣先. 空气动力学学报, 1999(01)
  • [6]恢复函数的三点迎风紧致格式构造方法及应用[J]. 王保国,郭延虎,沈孟育. 计算物理, 1997(Z1)
  • [7]跨音速压气机转子中三维湍流流场计算及涡系分析[J]. 沈孟育,刘秋生,郭延虎,王保国. 航空学报, 1996(06)
  • [8]高速粘性内流的高分辨率高精度迎风型杂交格式[J]. 王保国,沈孟育. 空气动力学学报, 1995(04)
  • [9]三维Euler方程的两种高效高分辨率算法及其在高速进气道中的应用[J]. 王保国,刘秋生,卞荫贵. 应用基础与工程科学学报, 1994(04)
  • [10]转动坐标系中三维跨声速欧拉流的有限体积-TVD格式[J]. 王保国,卞荫贵. 空气动力学学报, 1992(04)

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旋转坐标系中 3D 跨音速欧拉流的有限体积 - TVD 格式
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