可變拓撲結(jié)構(gòu)的非結(jié)構(gòu)動網(wǎng)格生成技術(shù)研究及其應(yīng)用.pdf

1、目前，大變形動邊界問題仍然是計算流體力學(xué)(CFD)研究的重點之一。盡管傳統(tǒng)的動網(wǎng)格生成方法已經(jīng)可以滿足大多數(shù)動邊界問題的計算要求，但是在處理剛體的碰撞和斷裂、液滴或氣泡的破碎、彈丸出膛等一系列涉及計算域發(fā)生拓撲改變的問題時，常常無法對這些過程作出準(zhǔn)確地描述。在課題組申請的國家自然科學(xué)基金項目支持下，本文結(jié)合彈簧方法和局部網(wǎng)格重新生成法，提出了可變拓撲結(jié)構(gòu)的大變形非結(jié)構(gòu)自適應(yīng)動網(wǎng)格生成技術(shù)，利用C++語言開發(fā)了通用CFD軟件包，并成功地應(yīng)

2、用于含可變形氣固界面的非定常流動、含不互溶氣液界面的可壓縮多介質(zhì)流動以及含運動邊界的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)流等問題的研究中。本文主要研究內(nèi)容及成果如下:
　　結(jié)合彈簧近似法和局部網(wǎng)格重新生成法，提出了一種含可變拓撲結(jié)構(gòu)的大變形非結(jié)構(gòu)自適應(yīng)動網(wǎng)格生成技術(shù)。本文分別研究了Delaunay方法和陣面推進法兩種非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成方法，同時利用模板方法對網(wǎng)格進行自適應(yīng)，獲得了很好的結(jié)果。此外，討論了邊界運動引起的網(wǎng)格畸變問題，采用彈簧近似法將邊界擾動很好

3、地傳遞到網(wǎng)格內(nèi)部，采用局部網(wǎng)格重新生成法用高質(zhì)量的網(wǎng)格代替嚴重變形的區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格，發(fā)展了邊界邊剖分和合并技術(shù)優(yōu)化邊界結(jié)點的分布，提出了拓撲結(jié)構(gòu)重構(gòu)方法實現(xiàn)了剛體碰撞或斷裂、氣泡破碎或聚合等問題涉及到的動網(wǎng)格生成。在分別對剛性動邊界的聚合和分裂過程、自由動邊界的聚合和分裂過程的網(wǎng)格生成應(yīng)用中，本文提出的可變拓撲結(jié)構(gòu)的大變形非結(jié)構(gòu)動網(wǎng)格生成技術(shù)表現(xiàn)出了良好的適應(yīng)性。
　　利用提出的可變拓撲結(jié)構(gòu)的大變形非結(jié)構(gòu)動網(wǎng)格生成技術(shù)，對含可變形氣

4、固界面流動問題的數(shù)值計算方法進行了研究、實現(xiàn)了可變拓撲結(jié)構(gòu)大變形動網(wǎng)格生成技術(shù)在可壓縮非定常流動以及爆炸安全評估等方面的應(yīng)用。具體推導(dǎo)了ALE形式的流動控制方程，討論了動網(wǎng)格的幾何守恒律，采用四階Runge-Kutta方法進行時間積分，采用拓展Godnov方法、空間向量方法構(gòu)造空間二階精度，采用HLLC方法計算控制體界面上的通量，將多體系統(tǒng)動力學(xué)與非定常流場計算相耦合。通過Riemann問題、Eme巧問題、活塞問題、緩慢壓縮、激波與圓柱

5、相互作用以及NACA0012機翼振動等算例驗證了所發(fā)展的基于自適應(yīng)非結(jié)構(gòu)動網(wǎng)格的數(shù)值方法的正確性。本文成功地將提出的動網(wǎng)格技術(shù)及數(shù)值方法應(yīng)用于對高壓容器泄漏、受限空間內(nèi)爆炸場的模擬（二維和三維）等含可變形氣固界面流場的模擬中，并對爆炸場的安全評估方法進行了分析。
　　研究了含表面張力的可壓縮多介質(zhì)Riemann問題的求解方法;實現(xiàn)了多介質(zhì)界面的追蹤;將多介質(zhì)問流動題轉(zhuǎn)化為介質(zhì)界面兩側(cè)的單介質(zhì)問題，分別應(yīng)用大變形動網(wǎng)格技術(shù)與ALE算

6、法對獨立的單介質(zhì)流動問題進行數(shù)值計算?；诤砻鎻埩Φ韧饬τ绊懙牟换ト芏嘟橘|(zhì)界面是一種典型的間斷，滿足Rankine-Hugoniot關(guān)系的事實，描述界面的網(wǎng)格可視為Lagrange界面。本文在研究了剛性氣體方程下多介質(zhì)Riemann問題的解析解以及一般形式狀態(tài)方程下的近似Riemann求解方法后，對含表面張力的可壓縮多介質(zhì)Riemann問題求解方法進行了研究，得出了剛性氣體狀態(tài)方程及一般形式狀態(tài)方程下多介質(zhì)Riemann問題的求解方法

7、，提高了介質(zhì)界面的追蹤精度。
　　利用改進型虛擬流體方法的思想，改進了原始ALE介質(zhì)界面追蹤方法，有效地抑制了介質(zhì)界面的數(shù)值振蕩。原始ALE介質(zhì)界面追蹤方法只要滿足界面處壓力和法向速度連續(xù)即可，而多介質(zhì)Riemann問題在很大程度上會受到介質(zhì)熱動力特性的影響。同時，界面處動力學(xué)特征主要由介質(zhì)的物理特性決定。本文利用改進型虛擬流體方法，在多介質(zhì)Riemann解的基礎(chǔ)上考慮介質(zhì)界面處的等熵條件，構(gòu)造介質(zhì)界面兩側(cè)的虛擬點，有效地抑制了界

8、面壓力的振蕩，以保證轉(zhuǎn)化后的單介質(zhì)問題的解與原多介質(zhì)問題的解保持一致。
　　利用可變拓撲結(jié)構(gòu)的大變形動網(wǎng)格技術(shù)，拓展了原始ALE方法在多介質(zhì)流動中的應(yīng)用范圍，對激波誘導(dǎo)氦氣泡破碎以及水下沖擊波誘導(dǎo)氣泡破碎問題進行了真實模擬。雖然ALE方法能準(zhǔn)確地描述界面的運動，但是在界面發(fā)生扭曲、聚合以及斷裂等情況時，常常受限于網(wǎng)格無法進行計算。本文利用提出的可變拓撲結(jié)構(gòu)的大變形動網(wǎng)格技術(shù)及可壓縮多介質(zhì)流動數(shù)值方法，精確地追蹤了氣泡的變形過程，實

9、現(xiàn)了氣泡破碎前后的網(wǎng)格重構(gòu)，成功地對氣泡破碎后的流場變化及氣泡持續(xù)發(fā)展過程進行了計算。在對水中沖擊波誘導(dǎo)氣泡破碎問題計算中發(fā)現(xiàn)了氣泡破碎后的二次射流及二次破碎過程，這與文獻中實驗觀察到的現(xiàn)象吻合。
　　利用可變拓撲結(jié)構(gòu)的大變形動網(wǎng)格技術(shù)，對含動邊界的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)流數(shù)值計算方法進行了研究。具體研究了多組分有限速率化學(xué)反應(yīng)計算模型及數(shù)值方法，拓展了多組分系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)流的ALE控制方程，采用時間分裂法將流動、擴散以及化學(xué)反應(yīng)過程進行解耦