基于混合笛卡尔网格方法的非定常流动问题研究

发布时间：2017-12-16 16:31

  本文关键词：基于混合笛卡尔网格方法的非定常流动问题研究

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【摘要】：混合笛卡尔网格方法在近物面区域使用贴体形式的结构/非结构网格,在外部计算区域自动填充笛卡尔网格,将笛卡尔网格方法中物面边界难以处理的问题转化为不同网格系统之间的信息传递。该方法综合了贴体结构/非结构网格与笛卡尔网格的优点,在处理含有复杂几何外形、复杂流动特征以及非定常流动现象的问题中具有广阔的应用前景。使用混合笛卡尔网格方法进行流场数值模拟的难点在于混合网格的生成方法与装配方式,现有的混合网格类方法已经能够成功地模拟各类定常流动问题,但在非定常流动问题的模拟中仍需要进一步的研究。本文致力于发展准确、高效的混合笛卡尔网格快速生成与装配方法,发展可用于复杂流动问题的全速域流场数值计算方法。首先,开展了混合自适应笛卡尔网格生成与算法研究。通过对洞映射方法、割补法的研究,建立了一种新颖的“逆向”方式混合笛卡尔网格生成技术,同时采用“贡献单元”方法进行网格交接面的信息传递。基于高效的Alternating digital tree(ADT)搜索算法对上述两步过程进行了加速处理,并发展了一种改进的壁面距离计算方法。在混合笛卡尔网格框架下,结合网格自适应技术与低速预处理算法,发展了全速域有限体积雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的求解技术。通过网格生成实例和典型定常粘性流动问题的研究,验证了混合笛卡尔网格生成技术及流场求解算法的鲁棒性和高效性。其次,开展了包含复杂非定常流动现象的固定边界绕流问题研究。结合动态自适应网格加密技术、双时间步LU-SGS隐式时间推进与非定常预处理方法,发展了非定常混合笛卡尔网格方法。针对三维高雷诺数大分离流动,开展了基于SST k-ω湍流模型的DES技术研究。非定常数值模拟过程中,保持近壁面的贴体网格不变,使用网格自适应技术根据流场特征调整外围笛卡尔网格尺度,精确地捕捉非定常复杂流动现象。通过低速大迎角三角翼绕流与大迎角椭球绕流的数值算例研究,表明了耦合DES技术的动态自适应混合笛卡尔网格非定常方法实现了大分离非定常旋涡主导流动的准确模拟。最后,开展了含运动边界问题的非定常混合笛卡尔网格方法研究。主要提出了基于交接面距离的背景笛卡尔网格动态调整与更新技术,将定常方法中的“贡献单元”信息传递方式拓展至二维非定常运动边界问题。通过对圆柱旋转绕流、翼型小幅度振荡与大迎角动态失速,以及翼型沉浮问题的数值模拟研究,验证所发展的处理方式是准确有效的。耦合刚体运动方程,将该算法应用于多体大位移运动边界流场,研究了外挂物体投放问题。在二维工作的基础上初步探索了三维运动边界问题的求解,通过Caradonna-Tung旋翼的悬停算例验证了混合笛卡尔网格方法在处理三维运动边界问题中的有效性。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O35

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本文编号：1296713