三维高超声速流动问题的高效数值方法及应用
批准号:
12326314
项目类别:
数学天元基金项目
资助金额:
20.0 万元
负责人:
汤华中
依托单位:
学科分类:
微分方程数值解的基础理论与方法
结题年份:
2024
批准年份:
2023
项目状态:
已结题
项目参与者:
汤华中
中文摘要
在航空航天领域,高超声速流动问题的计算具有重要的科学工程意义。由于涉及激波、剪切层、黏性和湍流的相互作用,模拟高超声速流动问题要求数值格式能够准确稳定地捕捉复杂的流场结构。许多流行的数值格式(如CFD工业软件中普遍使用的Roe格式)在计算强激波时会遭遇不同形式的数值不稳定现象,这些非物理现象极大地影响了数值模拟结果的可靠性。本项目针对当前通量格式的不足,研究用于高超声速流动问题计算的低耗散、强稳定的三维通量格式。(1) 基于角点通量模型构造真正三维格式。由于同时考虑了界面法向和横向的信息,真正三维格式比传统上按维度分裂构造的高维格式具有更高的分辨率和稳定性。(2) 基于格式的耗散机理,分别利用耗散控制方法和代数方法改善其激波数值稳定性和提高线性波的分辨率。格式将被嵌入于OpenFOAM中并计算一些复杂的高超声速流动问题,如多组分化学反应流问题等,以便验证它们的应用能力。
英文摘要
In the field of aerospace, the calculation of hypersonic flows has important science and engineering significance. Due to the interaction of the shock waves, the shear layers, the viscosity and the turbulence, the numerical scheme is required to accurately and stably capture various complex flow structures in hypersonic flows. Many popular numerical schemes, such as the Roe scheme commonly used in CFD industrial software, will encounter different forms of numerical instability when capturing the strong shock waves. Those non-physical phenomena severely affect the reliability of numerical simulation results. In view of the shortcomings of current flux schemes, this project develops the three-dimensional flux schemes with low dissipation and strong stability. (1) The genuine 3D schemes are constructed based on the corner flux model. Since the information travelling along the normal and transversal directions is considered at the same time, the genuine 3D schemes have higher resolution and stability than the traditional three-dimensional schemes constructed by the dimension splitting. (2) Based on the dissipation mechanism of the numerical schemes, the method of dissipation control is employed to improve the shock numerical stability and the algebraic method is used to improve the resolution for linear waves. In order to demonstrate the ability of the scheme's application to practical problems, our schemes will be implemented into the free open-source software OpenFOAM to calculate some complex hypersonic flow problems, including the multi-component chemical reaction flows etc.
1. 项目的背景: 在航空航天领域,高超声速流动问题的计算具有重要的科学工程意义。由于涉及激波、剪切层、黏性和湍流的相互作用,模拟高超声速流动问题要求数值格式能够准确稳定地捕捉复杂的流场结构。许多流行的数值格式(如CFD软件中普遍使用的Roe格式)在计算强激波时会遭遇不同形式的数值不稳定现象,这些非物理现象极大地影响了数值模拟结果的可靠性。..2. 主要研究内容:本项目针对当前通量格式的不足,研究用于高超声速流动问题计算的低耗散、强稳定的三维通量格式。(1) 基于角点通量模型构造真正三维格式。由于同时考虑了界面法向和横向的信息,真正三维格式比传统上按维度分裂构造的高维格式具有更高的分辨率和稳定性。(2) 基于格式的耗散机理,分别利用耗散控制方法和代数方法改善其激波数值稳定性和提高线性波的分辨率。格式将被嵌入于OpenFOAM中并计算一些复杂的高超声速流动问题,如多组分化学反应流问题等,以便验证它们的应用能力。..3. 重要结果:按计划实施了项目并较好地完成了对访问学者胡立军博士的培养工作。取得的科研工作如下:.在三维框架下完成了激波数值不稳定性的机理分析并且构造了精确、稳定的通量格式。借助增广矩阵的谱半径理论对均匀流动问题中具有奇偶对称结构的小扰动进行了详细的线性稳定性分析,初步得到了激波数值失稳的形成机理。采用矩阵稳定性分析工具对3D稳态激波模型中具有随机结构的小扰动进行了更加细致的稳定性分析。采用两种策略来平衡横向的声耗散和对流耗散进而消除了Roe格式、HLLC格式和HLLEM格式的激波数值失稳现象。构造了真正3D的HLL格式,其中角点处通量的权重系数由影响域的体积加权来决定。采用代数方法提高了通量格式对线性波的分辨率,对格式进行低马赫数修正使其适用于全马赫数流动问题的计算,将构造的通量格式模块化后嵌入开源的CFD软件OpenFOAM中并模拟了一些复杂的3D高速和低速流动问题。..4. 科学意义:本项目的研究结果将为航空航天中高超声速流动问题的研究提供服务和理论支撑。
非定常Ginzburg-Landau方程的无条件稳定的保结构数值方法
-
批准号:12126302
-
项目类别:数学天元基金项目
-
资助金额:20.0万元
-
批准年份:2021
-
负责人:汤华中
-
依托单位:
地下强爆炸研究牵引的多介质辐射流体力学的可计算建模与计算方法
-
批准号:91330205
-
项目类别:重大研究计划
-
资助金额:350.0万元
-
批准年份:2013
-
负责人:汤华中
-
依托单位:
针对一般状态方程的高分辨率格式研究与程序实现
-
批准号:10576001
-
项目类别:联合基金项目
-
资助金额:30.0万元
-
批准年份:2005
-
负责人:汤华中
-
依托单位:
守恒律的动力学方法及其在计算流体中应用
-
批准号:19901031
-
项目类别:青年科学基金项目
-
资助金额:4.0万元
-
批准年份:1999
-
负责人:汤华中
-
依托单位:
国内基金
海外基金