高精度低耗散格式及其在超声速流场计算中的应用研究

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对于包含激波等间断和复杂波系结构的湍流可压缩流动,需要稳定、高精度、高效率的数值算法来鲁棒地捕捉激波和精细地求解涡漩等复杂流动结构,这对数值格式而言是一种巨大挑战。经典的WENO格式通过引入数值耗散来基本无振荡地捕捉激波,但是对其数值耗散的控制是一个长期的基本问题。开发具有高精度、低耗散、高效率的数值算法是高性能数值模拟的重要环节。本文提出了一类高分辨率的激波感知器框架,进而基于该感知器提出了两类高精度低耗散的数值格式,一类是高效自适应型EWENOCU格式,其主要是为了有效限制传统WENOCU型格式在光滑区域的数值耗散;另一类是低耗散的中心差分/WENO型混合格式,其主要是为了同时提高格式的数值精度和计算效率,最后将上述格式嵌入湍流流动的混合RANS/LES程序框架,实现了其在复杂流场中的工程化应用。对于高分辨率的激波感知器,其设计理念是通过WENO格式的非线性权重和线性权重的相对偏差来度量流场的光滑性,这符合WENO格式本身的构造原理,没有引入与问题相关的参数,具有准确的间断分辨率、较好的鲁棒性和易拓展性。对于EWENOCU型格式,其设计理念是根据流场的光滑性来自适应地调整影响格式稳定性和耗散性的参数C值(光滑区域采用较大的Cmax值,间断或大梯度变化区域采用较小的Cmin值),因此可以在保证激波等间断附近数值稳定性的同时,最大限度地限制其在光滑区域的数值耗散。本文提供了四阶、六阶精度格式的自适应参数C的参考值,并系统地对比了参数C的三种自适应开关函数(二进制型、连续型和双曲正切型)的综合性能。对于中心差分/WENO型混合格式,其主要思想是通过流场的光滑性来自适应地切换两类亚格式,即在光滑区域采用能量一致型中心差分格式,间断区域采用WENO格式。这类混合格式在光滑区域表现出基本无耗散特性,可以最大限度地解析复杂流动的涡漩结构,并且保持较高的计算效率。通过广泛的定性、定量的测试算例,包括一维标量方程的激波捕捉误差算例、一维线性对流方程的近似色散关系分析、多维Euler方程组算例和统一精度下计算效率,证实:激波感知器能够准确地识别流场中的激波等间断或大梯度变化区域,这部分运算并不会显著增加计算耗时;二进制型开关函数的综合表现最佳,体现在更少的间断“误判”和相对较少的计算耗时;相比于基准WENO格式,上述两类高精度格式在波数空间表现出更好的频谱特性以及在光滑区域更少的数值耗散,从而可以充分解析复杂流场的涡漩结构,并且基本保证在间断区域的数值稳定性。最后,激波感知器在混合RANS/LES数值模拟DLR燃烧室算例、Sunami算例和凹腔上游横向射流喷注这类复杂流动问题中同样表现出准确的间断分辨率,有效地区分了流场的光滑性,上述两类高精度格式也保持较好的稳定性和低耗散特性,对于剪切层中丰富的涡结构具有较高的解析度,这对于高精度格式的工程化应用具有一定的指导意义。
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