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在工程实际问题的数值模拟中,求解包含边界大位移或大变形的非定常流场问题是计算流体力学的难点之一。网格变形方法在保持原网格拓扑结构不变的条件下,通过移动网格节点得到适应边界变形的计算网格。网格变形方法是求解此类问题的关键技术,并直接关系着数值模拟的计算效率和计算精度。 几十年以来,网格变形方法的研究持续开展。本文在全面总结非结构网格变形方法的基础上,提出了一种网格变形方法的详细分类,将现有的方法归类为虚拟结构法、偏微分方程法和代数法。综述了各类方法的最新研究进展和网格变形特性,评述了当前网格变形研究的几个主要方向:复杂结构外形在不规则变形下的动网格生成、三维动网格生成、并行动网格生成和动节点技术。当前,适应复杂边界不规则变形的网格变形方法是动网格研究中的前沿问题。本文在研究和改进传统方法的基础上,提出了适合复杂边界不规则变形的新网格变形方法。 本文提出了基于传统弹簧法的两点改进,以解决边界发生大变形时的非结构网格变形问题。为了使边界运动引起的网格变形能更好地由边界传递到内部网格中,提出了一种基于Delaunay网格插值的弹簧倔强系数逐层改进。为了提高弹簧法的计算效率,引入背景网格和直接插值方法,提出了弹簧插值法。弹簧插值法首先生成计算域的背景网格(粗网格),然后由弹簧法求解边界运动引起的背景网格变形,最后利用变形后的背景网格直接插值得到计算网格的变形。弹簧插值法一方面有效地提高了弹簧法和背景网格插值法的网格变形能力和变形后的网格质量,另一方面通过降低弹簧法的求解规模,显著地提高了弹簧法的网格变形效率。 本文基于圆松弛算法提出了适应复杂边界不规则变形的二维网格变形方法。圆松弛算法通过消除或减少圆之间的重叠和相离移动网格节点,保持了较高的网格质量。该算法采用正交背景网格,高效和均匀地传递结构边界的变形,并保证了结构边界附近的网格质量。同时,该算法引入网格优化过程以避免网格变形过程中出现非法单元。基于圆松弛的网格变形方法保证了较高的网格质量和网格变形能力,可解决复杂结构边界不规则大变形下的网格变形问题。该方法的网格变形效率和网格变形能力均优于半扭转弹簧法,而且与径向基函数插值法和距离倒数插值法相当。 本文基于球松弛算法提出了适应复杂边界不规则变形的三维网格变形方法。该方法提出基于节点层数的预位移过程,以快速传递复杂边界的变形。改进后的球松弛算法局部调整节点位移,不仅提高了网格变形质量,而且进一步扩大了结构边界变形传递的区域。同时,算法采用了三维网格优化算法以避免生成非法网格单元。基于球松弛的网格变形方法可以在不规则大变形下仍保持较高的网格质量,尤其对复杂结构边界的情况。该方法的网格变形质量优于径向基函数插值法和距离倒数插值法,且适用于初始网格质量较差的网格变形。 本文讨论了距离倒数插值法的最优参数,研究了不同运动形式、不同结构边界、不同网格类型下的最优参数。以二维平动和转动变形为例,根据实际网格变形效果,得到了最优参数选取与网格类型和结构边界无关的一般性结论和不同变形形式下最优参数的取值范围。不论是转动还是平动变形,平动项参数取值范围为[1,2]时,网格变形能力和网格质量均较优,而转动项参数的具体取值则与实际变形形式相关。 近年来,无网格方法已应用于非定常流体计算,以避免复杂结构边界带来的网格规模大、质量低、拓扑结构非法等问题。此类方法需要引入动节点方法以解决涉及动边界的非定常计算中更新节点分布的问题。首先,本文提出了基于径向分布函数的节点均匀性评价标准。其次,根据节点与计算域内边界和外边界的相对距离定义节点层数,将计算网格中的节点划分为若干层。最后,基于节点层数改进了径向基函数插值法,并提出基于该方法的动节点方法。基于径向基函数的动节点方法不仅保持了原计算域中的点云结构,而且保持了原计算域中节点分布特性。 网格优化方法是提高网格质量的常用技术,本文研究并实现了基于节点重连技术的网格优化方法。该算法可高效地实现百万量级的四面体网格优化。