高精度格式在非定常流动中的应用研究

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基于空间五阶精度加权紧致非线性格式WCNS,数值求解非定常Euler/N-S方程,模拟飞行器单自由度强迫/自由俯仰振动非定常流场,研究了高精度格式下非定常“双时间步”方法子迭代收敛性、子迭代参数选取问题,以及非定常方程时间导数离散精度问题、高精度流场与飞行器运动的不同耦合算法问题。最后将高精度非定常算法应用到非定常动态稳定性导数的计算中。研究表明:1.采用“双时间步”方法的高精度格式在非定常计算时:(a)物理时间步长过大会降低非定常计算精度,取的过分小会使计算周期延长,从而增加计算时间;时间步长增大同样会降低子迭代收敛能力;因此在非定常计算时,物理时间步长的选取是一个值得重视的问题。(b)子迭代要达到一定的收敛水平才能满足计算精度的需要,超过这个限度后计算精度的提升不大,反而会使计算时间增加。(c)与二阶格式相比,在用高精度格式进行非定常计算时,子迭代虚拟时间步长(或CFL数)不能取得太大,否则子迭代难以收敛。2.在“双时间步”方法下,基于空间高精度格式,对时间导数采用一阶、二阶和三阶精度后差格式离散的计算表明:时间一阶离散方法计算收敛能力较差,计算效率稍低,二阶、三阶差异不大;时间三阶离散方法易出现非物理振荡(缩小物理时间步长或提高子迭代收敛水平能够削弱这种振荡);时间二阶离散方法从计算精度、效率、稳定性等方面总体表现较好。3.采用高精度格式耦合求解非定常流场与球双锥自由俯仰运动,考查不同耦合算法(“松耦合”和“紧耦合”)的应用情况。计算结果表明:对本文算例来说,两种耦合算法在计算精度上差异很小;计算效率方面,“紧耦合”算法比“松耦合”算法CPU耗时多15%左右,原因是“松耦合”不用对刚体运动方程和动网格代码做子迭代。4.采用自由振动法及高精度算法模拟动态稳定性导数结果表明:基于自由振动法获取的10度钝锥俯仰阻尼导数和俯仰刚度与实验结果一致;钝锥动稳定性受初始角振幅影响很小,但随振动轴心后移下降;转动惯量对振动形态和计算结果影响较大。
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