面向拓扑结构改变流场计算的重叠点云法研究

针对当前运动边界问题以及非结构重叠网格方法和无网格方法的研究现状，开发出能够模拟多体分离过程流场拓扑结构变化过程的数值方法，并形成高效的并行计算软件包。在现有的无网格方法研究的基础上，首次提出了一种全新的处理动边界问题的方法- - 重叠点云法（Overset Clouds of Points Method,简称OCPM），并对该方法所涉及到的诸如重叠点云的生成、边界周围局部点云的重构、高效的卫星点搜索方法等进行研究，用于模拟多体分离过程导致的流场拓扑结构改变过程。对于无网格方法本身，将彻底摒弃网格信息建立三维无网格算法并应用于模拟包含复杂边界的流场，实现对流场计算域的随机布点，并且在参数变化剧烈的区域实现节点的局部加密，实现无网格算法的自适应。开展基于多节点、多核的并行算法研究，最终形成多体分离和拓扑结构改变流场高效并行计算软件包。

运动边界和流场拓扑结构改变等计算流体力学是必须面对的难题，项目针对这一问题，在无网格方法的基础上，借助重叠网格技术的思想，首次提出重叠点云法的概念，成功地解决了含拓扑结构改变复杂流场问题，并应用于脱壳穿甲弹分离流场计算等工程实际中。.首先对无网格方法的基本算法进行了研究，分别对二维最小二乘无网格法的卫星点搜索方法、求解对称系数矩阵方程组的方法和耗散模型进行了改进，将其推广到三维。对基于正交等间距离散点分布的三维最小二乘无网格方法计算精度进行了证明，该方法可以构造二阶精度格式。.其次，在求解Euler方程的基础上，在其右端添加粘性项，对基于层流模型、S-A湍流模型、两种k-ω型湍流模型的N-S方程分别进行了研究。针对边界层中流动参数呈现严重的各向异性的特点，提出了点云重构的概念，提高了无网格粘性计算的准确度。此外首次进行了基于无网格的大涡模拟的探讨。.第三，借鉴非结构重叠网格方法的思想，提出了一种求解含运动物体非定常流场问题的方法——重叠点云法。该方法将运动物体用点云包围，并置于计算空间背景中，背景空间既可以用离散点描述，也可以用结构网格或非结构网格描述。对背景空间的网格结点或点云采用“休眠”或“激活”技术形成若干和运动点云相契合的空洞，在每一时刻形成一个完整的计算域，从而进行流场计算。.第四，对笛卡尔网格/无网格混合方法进行研究，将运动物体用点云包围，背景采用笛卡尔坐标，以此提高计算精度和计算效率。.最后，对无网格程序进行并行设计，提出了基于多块离散点分布的并行算法，建立了合理的离散点分区策略，基于分区信息文件设计了通用的信息通信准则，给出了无网格法并行算法实施方案，并成功应用于定常以及含运动物体导致拓扑结构改变非定常流场的计算。.为了检验算法，分别计算了大量的二维翼型绕流、活塞问题、Emery问题、圆球和圆锥绕流问题，其结果和相关文献的结果一致。在此基础上，计算了B1AC2R常规导弹、DLR-F4翼身组合体、空心弹、翼身融合体等复杂外形的流场和气动力。另外，对做俯仰振动的NACA0012翼型、尖拱/翼型分离、7.62mm步枪发射、次口径尾翼稳定脱壳穿甲弹发射过程中卡瓣和弹芯的分离过程等含运动边界或拓扑结构改变问题进行了数值模拟。.无网格方法与基于网格的算法在计算效率上相比还不具备竞争性，今后应在如何提高无网格方法效率方面开展进一步研究。