面向拓撲結構改變流場計算的重疊點雲法研究

《面向拓撲結構改變流場計算的重疊點雲法研究》是依託南京理工大學，由譚俊傑擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：面向拓撲結構改變流場計算的重疊點雲法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：譚俊傑
• 依託單位：南京理工大學

項目摘要

針對當前運動邊界問題以及非結構重疊格線方法和無格線方法的研究現狀，開發出能夠模擬多體分離過程流場拓撲結構變化過程的數值方法，並形成高效的並行計算軟體包。在現有的無格線方法研究的基礎上，首次提出了一種全新的處理動邊界問題的方法- - 重疊點雲法（Overset Clouds of Points Method,簡稱OCPM），並對該方法所涉及到的諸如重疊點雲的生成、邊界周圍局部點雲的重構、高效的衛星點搜尋方法等進行研究，用於模擬多體分離過程導致的流場拓撲結構改變過程。對於無格線方法本身，將徹底摒棄格線信息建立三維無格線算法並套用於模擬包含複雜邊界的流場，實現對流場計算域的隨機布點，並且在參數變化劇烈的區域實現節點的局部加密，實現無格線算法的自適應。開展基於多節點、多核的並行算法研究，最終形成多體分離和拓撲結構改變流場高效並行計算軟體包。

結題摘要

運動邊界和流場拓撲結構改變等計算流體力學是必須面對的難題，項目針對這一問題，在無格線方法的基礎上，藉助重疊格線技術的思想，首次提出重疊點雲法的概念，成功地解決了含拓撲結構改變複雜流場問題，並套用於脫殼穿甲彈分離流場計算等工程實際中。 首先對無格線方法的基本算法進行了研究，分別對二維最小二乘無格線法的衛星點搜尋方法、求解對稱係數矩陣方程組的方法和耗散模型進行了改進，將其推廣到三維。對基於正交等間距離散點分布的三維最小二乘無格線方法計算精度進行了證明，該方法可以構造二階精度格式。 其次，在求解Euler方程的基礎上，在其右端添加粘性項，對基於層流模型、S-A湍流模型、兩種k-ω型湍流模型的N-S方程分別進行了研究。針對邊界層中流動參數呈現嚴重的各向異性的特點，提出了點雲重構的概念，提高了無格線粘性計算的準確度。此外首次進行了基於無格線的大渦模擬的探討。 第三，借鑑非結構重疊格線方法的思想，提出了一種求解含運動物體非定常流場問題的方法——重疊點雲法。該方法將運動物體用點雲包圍，並置於計算空間背景中，背景空間既可以用離散點描述，也可以用結構格線或非結構格線描述。對背景空間的格線結點或點雲採用“休眠”或“激活”技術形成若干和運動點雲相契合的空洞，在每一時刻形成一個完整的計算域，從而進行流場計算。 第四，對笛卡爾格線/無格線混合方法進行研究，將運動物體用點雲包圍，背景採用笛卡爾坐標，以此提高計算精度和計算效率。 最後，對無格線程式進行並行設計，提出了基於多塊離散點分布的並行算法，建立了合理的離散點分區策略，基於分區信息檔案設計了通用的信息通信準則，給出了無格線法並行算法實施方案，並成功套用於定常以及含運動物體導致拓撲結構改變非定常流場的計算。 為了檢驗算法，分別計算了大量的二維翼型繞流、活塞問題、Emery問題、圓球和圓錐繞流問題，其結果和相關文獻的結果一致。在此基礎上，計算了B1AC2R常規飛彈、DLR-F4翼身組合體、空心彈、翼身融合體等複雜外形的流場和氣動力。另外，對做俯仰振動的NACA0012翼型、尖拱/翼型分離、7.62mm步槍發射、次口徑尾翼穩定脫殼穿甲彈發射過程中卡瓣和彈芯的分離過程等含運動邊界或拓撲結構改變問題進行了數值模擬。 無格線方法與基於格線的算法在計算效率上相比還不具備競爭性，今後應在如何提高無格線方法效率方面開展進一步研究。