基于自适应直角坐标网格的重叠网格方法研究
多体分离是航空航天中普遍存在的一类问题，如战斗机内埋式武器投放、火箭助推级分离、人椅弹射系统等。在该类问题绕流中，存在相对运动的物体之间的复杂非定常流场会造成强大的气动干扰，这种气动干扰往往是不利的，严重时甚至会威胁到飞行器的飞行安全。过去，研究此类问题的主要手段是飞行试验和风洞实验，然而它们存在着风险大、成本高、周期长等弊端。近年来，计算流体力学的迅猛发展使得其在处理此类问题中得到了广泛的应用。动态重叠网格技术在研究此类问题时无需网格再生，并能很好的保证网格质量，非常适合于处理具有大幅相对运动的复杂非定常绕流问题。结构重叠网格和非结构重叠网格都可以准确地对流场进行数值模拟，但为了避免重叠网格插值带来的数值耗散，需要调整边界处的网格尺度，使多套子网格在重叠网格边界处的网格尺度基本保持一致。受限于结构网格和非结构网格的数据结构特点，保证重叠网格边界处的网格尺度一致性往往是以增加网格数量为代价的，这对计算机资源提出了更高的要求，同时也降低了数值计算的效率。为此，本文发展了一种基于自适应直角坐标网格的混合重叠网格方法，并开发了相应的动态混合重叠网格求解程序。在这种方法中，直角坐标网格可以基于洞边界进行自适应加密和稀疏，在保证重叠网格边界处网格尺度一致性的前提下降低了计算网格数量，提高了计算效率。 本文首先对数值计算方法进行了介绍，采用了混合网格求解器，即内部贴体网格采用结构网格求解器，背景网格采用自适应直角坐标网格求解器，流动控制方程采用定常/非定常Euler/N-S方程，运用有限体积方法对控制方程进行空间离散，采用Jameson中心格式计算对流通量，定常时间离散采用四步Runge-Kutta迭代，非定常时间离散方法为显式双时间步长法，湍流模型选用S-A模型；其次，对混合重叠网格的装配方法进行了深入研究，采用了非结构重叠网格中的网格间边界定义方法，在搜索宿主单元时，采用了高效的相邻单元搜索算法；最后，发展了一种基于自适应直角坐标网格的动态混合重叠网格方法，通过标准算例对该方法的正确性进行了验证，并开展了一系列的数值算例研究，结果表明该方法对于模拟多体分离问题是极其高效和有效的。
计算流体力学;非定常流动;重叠网格;直角坐标网格;气动干扰;飞行器;数值模拟
南京航空航天大学
硕士
流体力学
田书玲
2015
中文
V211.3;O35
87
2015-12-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）