基于非结构动网格的非定常流数值模拟方法

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSinicaJan．252011VoI，32No．115．26ISSN1000一6893CN11—1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb《罾buaa．edu．cn文章编号：lOOO一6893(2011)O卜ool5—12基于非结构动网格的非定常流数值模拟方法伍贻兆*，田书玲，夏健南京航空航天大学空气动力学系，江苏南京210016摘要：给出了基于非结构动网格的非定常流动问题的数值模拟方法，重点说明两种动态非结构网格

2、方法的原理以及在非定常流模拟中的算法。一种是基于非结构网格的重叠网格方法，该方法结合了非结构网格方法和重叠网格方法的优点，以物面距为准则参数对网格节点进行分类。进而建立重叠网格的网格问插值关系，通过采用动态非结构重叠网格算法。可以处理多体间具有大幅相对运动的非定常问题。另一种是基于Delaunay图映射的动弹网络方法，该方法首先利用已有网格的边界点生成覆盖整个计箅域的Delaunay图；然后建立网格点在图上的一一映射关系，通过Delaunay图来描述边界运动；最后利用映射关系获得新网格点的坐标。本文通过

3、多个数值算例(三维外挂物投放、直升机机身+旋翼前飞、后缘襟翼大偏角运动以及AGARD445．6机翼气动弹性变形)分别对这两种方法进行了验证，结果表明这些方法在动边界非定常流模拟时具有较高的计算效率和鲁棒性。关键词：计算流体力学；非定常流；动网格；非结构重叠网格；Delaunay图映射中图分类号：V211．3文献标识码：A在航空航天工程中，存在许多具有运动边界的复杂非定常流场，例如：飞行器外挂物投放、人椅系统与飞机的分离、直升机旋翼运动、襟翼偏转以及飞行器气动弹性变形等。近年来，虽然随着计算流体力学的不断

4、发展以及计算机硬件的突飞猛进，采用数值方法模拟此类问题已成为可能，但是开展这类非定常绕流问题数值模拟仍是计算流体力学研究人员以及工程设计人员所面临的一个巨大挑战，其中的首要“瓶颈”就是如何获取计算效率高和鲁棒性强的动网格技术。在计算流体力学中，目前模拟运动边界非定常流动问题采用的动网格技术主要有三类[1]：网格再生方法、网格变形方法和动态重叠网格方法。网格再生方法是在模拟动边界非定常问题时，计算网格随物体的运动不断重新生成，如自适应笛卡儿网格方法[2]和非结构网格局部再生方法[3’4]等；网格变形方法是

5、根据运动边界的变化利用一定准则调整已有网格节点位置来获得新的计算网格，如基于弹簧准则的弹性网格方法[5]，在实际应用中，网格变形方法常常与网格局部再生方法相结合以提高计算的鲁棒性；动态重叠网格方法[6+7]则是在非定常计算中使绕各个物体(或部件)的子网格随物体一起运动，不断建立网格间插值关系，该方法不需要网格再生和变形，具有处理多体间具有大幅相对运动的能力。近年来发展了多种动边界模拟关键技术，建立动态非结构网格生成与非定常运动过程的算法，形成了配套完善的软件。本文将介绍两种基于动态非结构网格的运动边界非

6、定常流场模拟方法，一种是基于非结构网格的重叠网格方法，另一收稿日期：2010．09-17；退修日期：2010-09-26；录用日期：2010-10—20；网络出版时同：2010-12—1611：25网络出版地址：www．cn¨net／kcms／deta¨／11．1929V20101216．1125．000．htmIDOI：CNKI：11·1929／V．20101216．1125．000基金项目：南京航事航天大学基本科研业务费专项科研项目(NS2010020)*通讯作者．Tel．：025—84892894

7、E-ma¨：w”ao@nu∞。edu．cn弓

8、用格式l伍贻兆．田书玲．夏健．基f非结梅动两络的菲定常流教值模拟方法f∞i兢空学报．20¨。32(”：15-26．wuYIzhao．Ti胡s‰ling。xiaJi钥．unstruclur酬伊-dmethods蛔∞steadynow8imulation[山，ActaAeron铋ticaetAs“onaulIcas{『lIca．2011．32‘{)：15—26．16航空学报种是基于Delaunay图映射的动弹网格方法。其中前者结合了非结构网格和结构重叠网格技术的

9、优点，既降低了复杂外形网格的生成难度，又在处理非定常问题时不需网格再生成，因此非常适合于模拟多体间具有大幅相对运动问题，该网格思想最早由Nakahashi等[8]提出，之后得到了推广发展∞。121；而后者，计算网格的弹性变形是基于Delaunay图映射进行的，这样不但可以提高非结构网格的弹性变形能力和网格处理速度，而且特别适合于大几何变形的非定常黏性流动问题模拟。本文首先介绍所采用非定常流动控制方程及其数值解法；然后介绍非结构重叠网格方法，