复杂流动多过程分析与高精度格式设计

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2008年吴介之教授对于同时存在旋涡、激波、边界层等多种流动结构的复杂流动提出完整的多过程理论框架。这个理论框架为理解和研究复杂流动提供了一个切入的角度和方法论上的指导。本文总结了一些在这个观点指导下所做的研究探讨,包括理论和计算两个方面。  理论方面,作为内流多过程相互作用的例子,本文用解析方法求解了长管道里的水锤问题。通过这个问题的求解,一方面解决一些实际应用的问题,另一方面探讨了多过程理论在解决问题和分析、理解问题时所起的作用。这里对水锤问题给出了一个解析解,能够直接计算任意位置的水锤压力曲线;通过适当的处理,本文对湍流水锤的预测与实验的符合程度要优于所有已知的其他方法的预测。同时通过研究水锤问题,可以看到胀压剪切过程之间的一种壁面耦合方式。另外结合张树海等人(2006)激波旋涡相互作用的计算数据,本文分析了Howe(1975)声比拟方程的特征,探讨了复杂可压缩流动中“声波”方程所应具有的特征,为完整的胀压理论的研究做了铺垫。  计算方面,因为对于多过程复杂流动机理的探讨依赖于对复杂流场的精确数值模拟,本文提出一种新的数值格式,其理论框架更基本,能够统一很多目前常用的数值方法。计算效果上,在稳定性、精度、短波分辨率、激波捕捉等多个方面相对于已有的格式都有所改进。这个方法的基本思想是在单元上记录待解函数与一组已知测试函数的积分,然后将这组测试函数与求解方程在单元上做积分,得到弱形式,用之更新单元记录值。弱形式里的通量用邻近单元上的记录信息插值待解函数进而计算得到。因为可以取多个测试函数,且单元更新的弱形式方程形式简单,故面可以方便的实现紧致;又用到邻近单元上记录信息的插值,因此格式保留了有限体积的灵活性,可以方便的糅合不同格式里成功的处理方法;另外,因为是用“矩”做插值,试算发现这个格式在很高精度时仍然有很好的稳定性。
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