结构重叠网格方法及其应用研究

摘要

动边界非定常绕流是航空航天工程中经常遇到的一类问题,如飞机外挂物投放等,在这类问题中流动高度非定常,运动物体受到的非定常气动力足以使其运动轨迹和姿态有较大改变,甚至使该物体与其它部件发生碰撞,从而威胁到飞行器安全。在计算流体力学中,动态重叠网格方法具有高效的动态网格处理能力,并且能够保证网格质量,因而在此类问题中得到了广泛的应用。传统的结构重叠网格方法网格装配效率不高、自动化程度低,需要较多的人工干预,但是流场数值求解效率高;而非结构重叠网格方法装配效率和自动化程度很高,人工干预少,动态网格处理能力强,但是数值求解效率低。在动边界非定常绕流数值模拟中,每个物理时间步都需要重新装配网格,而且非定常数值求解耗时很长,因此提高网格装配和数值求解效率至关重要。如果单独使用上述任何一种方法对动边界非定常绕流进行数值模拟,都不能同时保证网格装配和数值求解的高效性。因此,本文结合非结构重叠网格思想对结构重叠网格方法开展深入研究,其目的在于提高结构重叠网格装配效率,同时保持结构网格数值求解的高效性,发展出自动化程度高、效率高的动态结构重叠网格算法,并开发出相应的数值模拟程序,为多体分离相关工程应用提供技术支持。本文研究工作主要从以下几个方面展开:
　　1)开展基于结构网格的流场数值求解方法研究。流动控制方程为可压缩Euler/N-S方程,采用有限体积法进行空间离散,定常、非定常时间离散分别采用四步 Runge-Kutta迭代、双时间步长法,采用Roe格式计算对流通量,分别采用S-A、SST湍流模型计算湍流粘性系数。
　　2)开展结构重叠网格装配方法研究。结合结构网格特点,将非结构重叠网格中的网格装配思想推广到结构重叠网格中,重点研究了网格装配中的几项关键问题,如宿主单元搜索、网格间边界定义、插值边界构造及其优化等。
　　3)把本文发展的结构重叠网格方法推广到动边界非定常绕流的数值模拟中,开展动态结构重叠网格方法研究,构造效率和自动化程度较高的数值算法,并开发出相应的数值模拟程序。
　　4)开展一系列的数值模拟研究,结果表明本文发展的结构重叠网格方法网格装配效率高,具有很高的自动化程度,以及很强的动态网格处理能力。

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缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 动态网格技术现状

1.3 结构重叠网格方法国内外研究与发展现状

1.4 本文主要工作及特色

1.5本文内容安排

第二章 基于结构网格的Euler/N-S方程数值求解

2.1 引言

2.2 流动控制方程

2.3 空间离散方法

2.4 时间离散方法

2.5 湍流模型

2.6 边界条件

2.7 数值验证

2.8 本章小结

第三章 结构重叠网格装配方法研究

3.1 引言

3.2网格自动挖洞方法

3.3 宿主单元搜索方法

3.4 网格间流场信息插值方法

3.5 验证算例

3.6本章小结

第四章 动态结构重叠网格方法及其在动边界非定常绕流中的应用

4.1引言

4.2 动态结构重叠网格算法

4.3动网格上的N-S方程和刚体运动方程

4.4 NACA0012翼型俯仰振荡

4.5动态结构重叠网格方法在动边界绕流中的应用研究

4.6本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文