一个基于非均匀网格上的二阶基本无振荡差分格式

在基本无振荡格式的构造中,将通常的对流通量f的逼近方式推广到对通量导数的逼近,这一构造方法可以有效地应用到非均匀或非结构网格.直接基于非均匀网格上,构造了一个二阶的基本无振荡(ENO)差分格式.该格式具有形式简单,对网格的划分灵活,与传统格式相比不增加计算量等优点.几个数值算例证明了格式的有效性.

甲烷超声速燃烧过程的数值模拟

提出了一种CH_4/O_2在超声速气流中燃烧的6方程化学反应模型，并且用在超声速高温空气中横向喷射的二维流场进行了数值模拟验证。特别模拟了不同来流条件和壁面条件对燃烧效率的影响及CH_4和空气中的氧气混合燃烧的过程。数值方法采用二阶精度的Harten-Yee隐式TVD格式，计算结果表明6方程反应模型能较好地反映CH_4/O_2的燃烧过程。

气-液两相流界面迁移现象的数值模拟研究

借助于Level Set函数,建立了气-液两相的统一控制方程组,并在交错网格中进行离散.用两种格式,即Superbee-TVD格式和5阶WENO格式求解Level Set函数的输运方程,用SIMPLER算法的思想对主流场控制方程的求解方法进行改进.数值实验结果表明,在求解Level Set的控制方程时,5阶WENO方法比Superbee-TVD格式的结果更准确;用改进的数值算法可成功实现对密度比大于1 000/1的气-液两相流界面迁移问题的数值模拟.对几种典型大密度比气-液两相流问题的计算结果与实际问题的物理规律完全一致,验证了该方法的有效性和可靠性.

NS方法数值预测跨音速气动颤振边界(英文)

本文通过耦合求解三维薄层Navier-Stokes方程与结构运动方程数值模拟了跨音速气动颤振现象。其中,流动控制方程的求解采用具有三阶精度的HLLEW(Harten-Lax-vanLeer-EinfeldtWada)迎风TVD空间离散格式和LU-SGS内迭代时间推进方法,同样的内迭代方法用于结构运动方程的求解。在每一步实时推进计算中,通过内迭代,使整个耦合计算的时间精度达到二阶。针对每一时间步的结构变形,发展了一种自适应网格变形方法,在中等结构变形的情况下,该方法能保证变形后的网格具有原网格的质量。为检验发展的跨音速气动颤振计算程序,对一标准气动弹性机翼的跨音速气动弹性边界进行了计算,获得了与实验一致的结果。另外,还详细研究了网格数、时间步长及内迭代步数对气动颤振计算的影响。

计算流体力学

流体力学数值模拟

本书介绍了采用差分方法求解流体力学方程、数值模拟各种绕流流场的工作及不同类型的分离流流场的计算结果.

目录

碳氢燃料超音速燃烧的数值研究

本文对CH_4横向喷入超音速高温空气主流的二维流场进行了数值模拟，对CH_4-O_2的六方程反应模式进行了检验，借以对混合与燃烧过程的现象与机理加以研究，并与单方程反应模型及H_2横向喷射的情况进行了对比。得到了较为理想的结果。本文采用二维雷诺平均全N-S方程进行计算，采用热完全气体模型，用Baldwin-Lomax代数涡粘性湍流模型来模拟湍流效应。假定N_2不参加反应，CH_4-O_2反应机制选取六个基本反应，以及九个组元O、O_2、CH_3、CH_4、OH、CHO、CH_2O、CO和CO_2，应用空间二阶精度Harten-Yee隐式TVD格式，采用化学源项点隐的全隐方法数值求解。本文对多种超音速空气主流及边界条件的工部进行了数值模拟，并对其流场进行了分析。针对工作中出现的问题，提出了对下一步工作的展望。

再入尾迹电磁特性的湍流效应研究

本文旨意在于通过探讨高超声速再入尾迹中的湍流等离子体与电磁波相互作用的机理，以及建立能反映此机理的应用性理论模型，从而提供一套可进行目标特性分析的方法，以便为工程部门的突防技术服务。本题目在再入气动物理现象研究中具有重要意义。综合分析指出，地面雷达观测到的非相干散射信号主要来源于再入尾迹的亚密湍流区产生的体积散射。因此，电磁散射特性分析主要针对尾迹亚密湍流等离子体。并且，这里所有的分析都是根据在工程应用中最成熟的一阶畸变波Born近似理论模型。再入尾迹电磁特性的湍流效应研究，着眼点就在于湍流等离子体场的研究。对湍流等离子体场理论模型，本文试图通过模式理论来表达，即求解平均化的全Navier-Stokes方程及其封闭方程k-ε-g模型，从而准确获得流动平均场和脉动场信息。这种表达方式较以前有了较大改进。注意到高超声速流动具有强烈可压缩性的特点，故使用的N-S平均方程由质量加权平均过程产生，湍流模型方程也经过可压缩性修正。方程的离散求解方法，都是运用带矢通量分裂的二阶TVD格式的有限体积法。再入尾迹湍流场的初始条件由近尾迹（底部）流动经N-S方程求解给定，初始值更加准确可靠。尾迹从层流到湍流的转捩过程采用相对成熟的半经验公式确定。飞行器的高超声速再入过程必然导致它周围的空气温度升高，使得流动表现出真实气体效应。对重点考察的湍流流动而言，真实气体效应主要表现为气体处于热化学平衡状态。就工程部门面临的实际问题，把一阶畸变波Born近似的解算方法做些改进，使其能够处理的范围从轴对称尾迹扩展到三维湍流等离子体场是必要的。这为深入的理论分析提供了有力的保障。在能够准确模拟湍流流动的刻划雷达散射截面的基础上，考察亚密湍流等离子体对电磁散射的影响。通过选择的几个有代表性的因素进行讨论，初步结果表明：湍流转捩方式、湍流尺度对尾迹雷达散射截面值计算影响不大，而电子组份脉动能初始值影响较明显，且在特定条件下湍流模型的影响亦不大。但由于湍流模型涉及脉动初始值，其影响需进一步确定。同时，一些今后开展继续此项研究工作的有益建议也提了出来。

固体火箭发动机喷管气固两相流动的数值模拟

对颗粒相采用颗粒轨道模型,气相求解可压缩N-S方程组,计算方法采用显式Runge-Kutta时间推进法与有总变差衰减(TVD)性质的高精度MUSCL-Roe格式;自主开发了曲线坐标系下二维轴对称可压缩N-S方程组的解算器Solve2D,研究了固体火箭发动机喷管中颗粒相对流场的影响以及不同尺寸颗粒运动规律.结果表明:颗粒相对流场的影响主要表现在喷管喉部以及扩张段,和单相流场相比,沿轴线马赫数减小,且颗粒尺寸越小减少得越多;沿轴线气相温度升高,且颗粒尺寸越小温度升高越多;颗粒尺寸越小,无粒子区越小;颗粒越大与收缩段壁面碰撞越剧烈,无粒子区越大.

可冲刷坡面滚波数值模拟研究

应用一维水沙耦合数学模型研究了可冲刷坡面上滚波的水动力学特性.模型的基本控制方程采用完整的、基于守恒定律的一维浅水动力学方程,运用能够捕捉激波和泥沙运动不连续性的WAF TVD二阶数值格式离散控制方程.通过复演定床滚波的运动特点,对模型进行了验证.可冲刷坡面的滚波数值模拟结果表明,床面形态对滚波水动力学特性有显著的影响.

Cabaret finite-difference schemes for the one-dimensional Euler equations

In the present paper we consider second order compact upwind schemes with a space split time derivative (CABARET) applied to one-dimensional compressible gas flows. As opposed to the conventional approach associated with incorporating adjacent space cells we use information from adjacent time layer to improve the solution accuracy. Taking the first order Roe scheme as the basis we develop a few higher (i.e. second within regions of smooth solutions) order accurate difference schemes. One of them (CABARET3) is formulated in a two-time-layer form, which makes it most simple and robust. Supersonic and subsonic shock-tube tests are used to compare the new schemes with several well-known second-order TVD schemes. In particular, it is shown that CABARET3 is notably more accurate than the standard second-order Roe scheme with MUSCL flux splitting.

对流扩散方程的绝对稳定高阶中心差分格式

将作者提出的数值摄动算法改进为区分离散单元内上游和下游并分别对通量进行高精度重构的双重数值摄动算法,与原(单重)摄动算法相比,双重摄动算法既提高了格式精度又明显扩大了格式的稳定域范围,利用双重摄动算法,即分别利用上游和下游基点变量的摄动重构将高阶流体力学关系及迎风机制耦合进二阶中心格式之中,由此构建了对流扩散方程的对网格Reynolds数的任意值均稳定(绝对稳定)高精度(四阶和八阶精度)三基点中心TVD差分格式,通过解析分析以及3个算例计算证实了构建格式的优良性能;3个算例包括一维线性、非线性(Burgers方程)和二维变系数对流扩散方程,数值计算表明:构建的格式在粗网格下不振荡,构建格式在粗网格时的最大误差L∞和均方误差L2与二阶中心格式在细网格时的相应误差一致,对线性方程,构建格式在细网格下可达到L2精度阶

实时数据流系统降载方法研究

随着信息技术的发展，出现了大量的数据流应用，如传感器数据处理、网络监控、金融数据分析等。在这些应用中，数据是一种连续、时变、有序、无限的序列，查询大多数都是采用连续查询方式。这种数据和查询的连续性对管理系统的资源需求很大。当系统资源不能满足查询处理要求，即查询处理任务超过系统的最大处理能力，用户的查询将得不到及时、正确地处理。同时，如果查询处理时间超过了查询截止期需求，查询结果就没有意义，甚至会造成灾难性后果。目前，很多研究都集中于数据流系统的降载，对支持实时查询处理的实时数据流系统降载的研究比较少。 本论文主要研究支持实时查询处理的实时数据流管理系统中的降载方法，主要包括如下三个方面：随机降载方法、语义降载方法与共享滑动窗口连接操作的降载方法。最后，通过实时数据流管理系统测试平台验证了所提出算法在提高系统吞吐量与降低截止期错失率方面表现出良好的性能。 针对实时数据流应用需求，提出了一种适合实时查询的数据流处理框架结构RT-DSPA和相应的多层过载处理策略MLOHS，为降载方法的研究提供一个框架基础。RT-DSPA分为用户层、DSMS层以及数据源层多个功能模块，具有多层性、可扩展性、健壮性以及可配置性的特点。 在随机降载方面，提出了一种基于数据流流速的负载估计算法；在实时数据流处理框架与负载估计算法的基础上，提出了一种截止期敏感的随机降载算法RLS-EDA。由于系统负载经常波动较大，该算法利用截止期的特点，使用暂存所丢弃元组技术充分地利用CPU空闲资源，使降载执行后系统的吞吐量得到提高，进而尽可能地降低查询截止期错失率；最后，讨论了降载过程中的队列维护策略、含共享操作符查询网络中的降载位置以及降载操作符插入查询网络的算法。实验结果表明，在系统负载波动较大的情况下，RLS-EDA算法表现出良好的性能。 在充分了解数据流及查询特征的情况下，语义降载表现出更好的降载效果。为明确语义降载时使用到的语义，提出了元组价值、价值等级的概念，给出价值等级划分时发生冲突的解决方法。设计了适合实时数据流管理系统的价值等级–执行开销优先级表和截止期–价值密度优先级表，其在确定优先级时可考虑多维因素。基于这两种优先级表设计，提出了相对应的语义降载算法SLS-PT-VD&EC和SLS-PT-D&TVD。基于优先级表的语义降载算法能够灵活地满足用户的不同需求，同时提高系统降载时的性能。 最后，针对共享滑动窗口连接操作符的过载情况，利用查询截止期的特点，提出了一种基于暂存丢弃元组技术的共享滑动窗口连接的降载算法LS-SJRT；为减小LS-SJRT算法的降载开销，提出了一种改进的基于调节滑动窗口宽度的共享滑动窗口连接降载算法LS-SJRT-CW。实验结果显示这两种算法在共享连接操作符过载时都能够表现出较好的性能。

地质导向钻井关键技术及方法

On the basis of analyzing the principle and realization of geo-steering drilling system, the key technologies and methods in it are systematically studied in this paper. In order to recognize lithology, distinguish stratum and track reservoirs, the techniques of MWD and data process about natural gamma, resistivity, inductive density and porosity are researched. The methods for pre-processing and standardizing MWD data and for converting geological data in directional and horizontal drilling are discussed, consequently the methods of data conversion between MD and TVD and those of formation description and adjacent well contrast are proposed. Researching the method of identifying sub-layer yields the techniques of single well explanation, multi-well evaluation and oil reservoir description. Using the extremum and variance clustering analysis realizes logging phase analysis and stratum subdivision and explanation, which provides a theoretical method and lays a technical basis for tracing oil reservoirs and achieving geo-steering drilling. Researching the technique for exploring the reservoir top with a holdup section provides a planning method of wellpath control scheme to trace oil and gas reservoir dynamically, which solves the problem of how to control well trajectory on condition that the layer’s TVD is uncertain. The control scheme and planning method of well path for meeting the demands of target hitting, soft landing and continuous steering respectively provide the technological guarantee to land safely and drill successfully for horizontal, extended-reach and multi-target wells. The integrative design and control technologies are researched based on geology, reservoir and drilling considering reservoir disclosing ratio as a primary index, and the methods for planning and control optimum wellpath under multi-target restriction, thus which lets the target wellpath lie the favorite position in oil reservoir during the process of geo-steering drilling. The BHA (bottomhole assembly) mechanical model is discussed using the finite element method, and the BHA design methods are given on the basis of mechanical analyses according to the shape of well trajectory and the characteristics of BHA’s structure and deformation. The methods for predicting the deflection rate of bent housing motors and designing their assemblies are proposed based on the principle of minimum potential energy, which can clearly show the relation between the BHA’s structure parameters and deflection rate, especially the key factors’ effect to the deflection rate. Moreover, the interaction model between bit and formation is discussed through the process of equivalent formation and equivalent bit considering the formation anisotropy and bit anisotropy on the basis of analyzing the influence factors of well trajectory. Accordingly, the inherence relationship among well trajectory, formation, bit and drilling direction is revealed, which lays the theory basis and technique for predicting and controlling well trajectory.

Optimized strong stability preserving IMEX Runge-Kutta methods

Esta es la versión no revisada del artículo: Inmaculada Higueras, Natalie Happenhofer, Othmar Koch, and Friedrich Kupka. 2014. Optimized strong stability preserving IMEX Runge-Kutta methods. J. Comput. Appl. Math. 272 (December 2014), 116-140. Se puede consultar la versión final en https://doi.org/10.1016/j.cam.2014.05.011