基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格方法的重疊網(wǎng)格算法研究.pdf

1、多體間具有相對運(yùn)動(dòng)的非定常繞流問題是航空工程中一類常見的問題。在這類問題中，物體間存在著較強(qiáng)的氣動(dòng)干擾，而這種氣動(dòng)干擾常常是非線性和非定常的，并對飛行器的氣動(dòng)性能有較大的影響，甚至?xí)︼w行安全構(gòu)成威脅。近年來，隨著數(shù)值方法的不斷發(fā)展以及計(jì)算機(jī)軟硬件的突飛猛進(jìn)，采用計(jì)算流體力學(xué)方法模擬多體間具有相對運(yùn)動(dòng)的非定常繞流問題已成為可能。Nakahashi提出的基于非結(jié)構(gòu)的重疊網(wǎng)格思想結(jié)合了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格方法和結(jié)構(gòu)重疊網(wǎng)格方法的優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于多體間

2、具有大幅相對運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜外形非定常繞流問題模擬研究，具有較大的實(shí)際工程應(yīng)用前景。但是，與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格技術(shù)和結(jié)構(gòu)重疊網(wǎng)格技術(shù)相比，基于非結(jié)構(gòu)的重疊網(wǎng)格方法還處于起步發(fā)展階段，其中的一些關(guān)鍵技術(shù)，如網(wǎng)格間插值邊界定義方法、適用于非結(jié)構(gòu)重疊網(wǎng)格的網(wǎng)格間插值方法、高效宿主單元搜索算法、向任意網(wǎng)格類型的推廣、基于非結(jié)構(gòu)重疊網(wǎng)格方法的分布式并行計(jì)算算法以及適用于多體相對運(yùn)動(dòng)非定常繞流流場模擬的動(dòng)態(tài)非結(jié)構(gòu)重疊網(wǎng)格算法等方面都需要進(jìn)行深入研究。因此，本文的

3、主要工作是開展基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格方法的重疊網(wǎng)格算法研究，其目的是發(fā)展出適合于多體相對運(yùn)動(dòng)非定常繞流問題模擬的高效計(jì)算算法，并開發(fā)出相應(yīng)的非定常計(jì)算軟件。 本文首先討論了所采用的流動(dòng)控制方程以及數(shù)值求解方法?？刂品匠滩捎梅嵌ǔ？蓧嚎sEuler/N-S方程，空間離散采用有效體積方法，通量計(jì)算采用Jameson中心格式，時(shí)間離散采用雙時(shí)間步長方法，在偽時(shí)間上采用多步Runge-Kutta迭代，湍流模擬中采用Spalart-Allmaras

4、一方程湍流模型計(jì)算湍流粘性系數(shù)，其物面距計(jì)算采用了一種基于陣面推進(jìn)的高效計(jì)算方法。 其次，開展了非結(jié)構(gòu)重疊網(wǎng)格的網(wǎng)格間邊界定義方法研究，并在Nakahashi的網(wǎng)格間邊界定義方法的基礎(chǔ)上，提出了一種能夠處理包含任意多塊子網(wǎng)格、任意單元類型子網(wǎng)格的重疊網(wǎng)格系統(tǒng)的優(yōu)化網(wǎng)格間邊界定義算法；為提高非結(jié)構(gòu)重疊網(wǎng)格系統(tǒng)的網(wǎng)格間邊界定義效率，在宿主單元搜索中，發(fā)展了一種適合于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基于陣面推進(jìn)與ADT方法相結(jié)合的相鄰單元搜索算法

5、，大大提高了大型非結(jié)構(gòu)重疊網(wǎng)格系統(tǒng)的網(wǎng)格間邊界定義的速度；為適應(yīng)混合非結(jié)構(gòu)重疊網(wǎng)格的網(wǎng)格間信息交換，在進(jìn)行非結(jié)構(gòu)重疊網(wǎng)格的網(wǎng)格間插值方法研究中提出了適合于混合類型單元網(wǎng)格的網(wǎng)格間插值方法。 然后，為把非結(jié)構(gòu)重疊網(wǎng)格方法推廣應(yīng)用到多體間具有相對的非定常繞流問題模擬中，開展了基于動(dòng)態(tài)非結(jié)構(gòu)重疊網(wǎng)格的非定常Euler/N-S方程求解算法研究，提出了一種適合于多體相對運(yùn)動(dòng)模擬的動(dòng)態(tài)非結(jié)構(gòu)重疊網(wǎng)格算法，并且開展數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究，表明該算法在非

6、定常問題模擬中不但具有較高的計(jì)算效率和較強(qiáng)的魯棒性，而且不需任何人工干預(yù)，具有很高的自動(dòng)化程度。 最后，開展了基于動(dòng)態(tài)非結(jié)構(gòu)重疊網(wǎng)格方法的非定常Euler/N-S方程分布式并行算法研究。在采用區(qū)域分裂算法并行求解Euler/N-S方程時(shí)，提出了一種子網(wǎng)格獨(dú)立分區(qū)的非結(jié)構(gòu)重疊網(wǎng)格分區(qū)策略，并在子網(wǎng)格分區(qū)時(shí)根據(jù)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)（活動(dòng)節(jié)點(diǎn)、非活動(dòng)節(jié)點(diǎn)或者插值點(diǎn)）進(jìn)行加權(quán)分區(qū)，使得每個(gè)進(jìn)程上的計(jì)算負(fù)載達(dá)到平衡。進(jìn)程間通信通過調(diào)用MPI標(biāo)準(zhǔn)