【摘 要】
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在计算气动声学(CAA)领域,声波在空间传播问题的特征明显不同于常规的空气动力学问题,这些特征要求数值格式具有尽可能小的色散和耗散误差。高精度线性耗散紧致格式(DCS)是邓小刚研究员在中心型紧致格式(CCS)基础上提出的一类单参数的线性高精度格式,同中心型紧致格式相比具有抑制高波数的振荡的优点,本文目的是为DCS格式应用于计算气动声学做一些基础性研究。声波在空间高精度捕捉的同时,在时间方向也需要被
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在计算气动声学(CAA)领域,声波在空间传播问题的特征明显不同于常规的空气动力学问题,这些特征要求数值格式具有尽可能小的色散和耗散误差。高精度线性耗散紧致格式(DCS)是邓小刚研究员在中心型紧致格式(CCS)基础上提出的一类单参数的线性高精度格式,同中心型紧致格式相比具有抑制高波数的振荡的优点,本文目的是为DCS格式应用于计算气动声学做一些基础性研究。声波在空间高精度捕捉的同时,在时间方向也需要被精确地追踪,因此时间积分方法也同样需要高精度。目前,在计算气动声学领域,常用的时间推进格式是显式龙格-库塔方法。为了提高龙格-库塔时间积分方法的耗散和色散性能,Hu提出了低耗散和低色散龙格—库塔方法,本文因此发展了三种针对DCS格式的低耗散和低色散龙格—库塔时间积分算法。在本文的第二章中,参照Hu和Jan Ramboerd对中心型紧致格式(CCS)优化的基本思想,类似地构造了基于耗散型紧致格式(DCS)的一类低耗散低色散龙格—库塔时间积分方法,但由于DCS与CCS存在一个本质的差别,即耗散性,使得这种方法得到的时间推进优化格式并不具有改善计算结果精准度的能力。在本文的第三章讨论了色散误差限制的增长因子误差优化方法。参照Hu和Jan Ramboerd对中心型紧致格式(CCS)优化的基本思想得到的LDDRK格式表现不理想,可能是该优化方法不具有同时控制DCS的耗散与色散的能力。因此,提出了强化色散误差控制的一种改进的优化方法,它的优化思想是通过Taylor展开,直接控制色散误差,再利用Hu和Jan Ramboerd的思想控制耗散误差,从而达到同时控制耗散与色散误差的目的。典型算例的计算结果表明,这种优化方法得到的LDDRK方法,能够在一定程度上改善计算结果的精度,但并不十分理想,可能是该优化方法仍没能很好反映DCS格式的特性。在本文的第四章提出了谱区间限制的增长因子误差优化方法。为了得到理想的LDDRK格式,必须考虑DCS格式耗散性这一基本特性。引入了谱区间选择的优化限制条件,这是确保优化算法保持DCS格式的这种特性。通过Fourier分析和典型算例对比计算发现,引入优化谱区间限制条件的优化方法得到的LDDRK格式具有良好的模拟精度。众所周知,对于诸如声波模拟等一些流动问题的细致模拟中,边界处理将可能对流场内部结构产生影响。基于Jae Wook Kim和Duck Joo Lee的思想,发展了与DCS格式相匹配特征边界条件,推导出了Euler方程的壁面特征边界条件,改进了高精度格式基于对流信息特征传播的对接边界处理技术,同时提出了基于信息传播的粘性壁面边界条件和特征远场边界条件处理方法。基于上述特征边界条件发展了多块对接网格的高精度线性耗散紧致格式DCS3和DCS5的计算软件,模拟了二维、无粘/粘性、定常/非定常圆柱绕流,并分析了其中非定常流场产生的噪声,得到了很好的计算结果,本文的第六章展示了这些结果,这显示了DCS格式应用于计算气动声学的潜力。但是要把DCS格式应用于解决工程上的声学问题,还有需要改进的地方,本文的第六章对这些问题进行了总结。
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