基于任意多面体网格的Navier-Stokes方程数值模拟

CORC > 力学研究所 > 中国科学院力学研究所 > 流固耦合系统力学重点实验室(2012-)

题名	基于任意多面体网格的Navier-Stokes方程数值模拟
作者	张明锋
学位类别	博士
答辩日期	2016
授予单位	中国科学院大学
授予地点	北京
导师	杨国伟
其他题名	Numerical Simulation of Navier-Stokes Equations Based on Arbitrary Polyhedral Grid
学位专业	流体力学
中文摘要	CFD技术在航空、航天、汽车、船舶等领域得到了广泛的应用，除了日益丰富的计算方法的推动之外，网格的发展也极大的推动了CFD的不断发展。随着算法的进步，网格也从早期的Cartesian网格、结构化网格，演化到后来的非结构网格、混合网格，再到现在的多面体网格。结构网格尽管贴体性和正交性较好，但对于复杂外形生成网格较为困难，因此非结构网格已成为主流。而多面体网格在网格生成、网格自适应和重叠网格方面有更大的自由度。大多数的CFD求解器只针对标准网格单元（四面体、五面体、六面体和三棱柱），本文旨在发展一套适用于任意多面体网格的Navier-Stokes(NS)方程求解器。作者发展了一套适用于任意多面体网格的前处理程序，从商业软件生成的网格文件中读取拓扑信息，建立基于面连接关系的数据结构，将不同网格单元类型进行统一处理，生成的拓扑文件无需考虑不同的网格类型，因此求解器在计算过程中也不必考虑不同类型的网格单元，全场单元采用统一的形式进行计算，从而大大的简化了流场计算程序。针对基于面连接关系的数据结构，作者发展了适用于任意多面体网格的Euler方程和NS方程并行求解器。基于中心型有限体积方法，构造具有二阶精度的空间离散格式，采用隐式时间推进方法；采用PARMETIS并行分区方法将流场分成若干个计算域，分配给对应的进程单独计算；采用MPI消息传递方法在每一时间步迭代结束之后传递进程间的边界数据。利用该求解器对二维、三维标模算例的不同类型的网格进行验证计算，结果表明程序具有良好的网格普适性，针对不同类型的网格都能计算得到较好的结果；通过测试并行程序的加速比表明程序具有良好的加速效率。针对低速流场中系统刚性导致计算精度和收敛速度下降的问题，发展了基于Weiss-Smith预处理技术的任意网格全速域流场计算方法，通过改变特征值系统减小系统刚性，提高了数值扰动传播速度，经算例验证本文发展的方法对于低速流动问题的计算精度较高且收敛速度较快。最后作者发展了基于任意多面体网格的气动弹性求解器，将本文发展的基于任意多面体网格NS方程求解器与广义结构运动方程进行紧耦合计算，利用径向基函数的数据传输模型在流场模型和结构模型之间传递气动载荷和结构变形，结合动网格方法进行网格变形，实现流固耦合计算。算例验证表明本文发展的动气动弹性计算方法能够有效预测颤振边界，具有一定的工程适用性。关键词：任意多面体网格，基于面连接关系，并行计算，预处理方法，网格变形方法，广义结构运动方程，气动弹性，颤振
索取号	31367
语种	中文
内容类型	学位论文
源URL	[http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/59429]
专题	力学研究所_流固耦合系统力学重点实验室(2012-)
推荐引用方式 GB/T 7714	张明锋. 基于任意多面体网格的Navier-Stokes方程数值模拟[D]. 北京. 中国科学院大学. 2016.