基于局部无网格的近距耦合旋翼流场数值模拟方法研究

研究面向近距耦合旋翼流场计算的一种基于局部无网格的数值模拟方法。本项目意在旋翼附近局部区域，解除网格化约束，嵌入动态无网格处理，利用无网格算法布点灵活的特点，使所提方法适合处理处于复杂运动的直升机旋翼；发展一种前置处理简单、计算效率高的动态点云技术，致力于把现有无网格/直角网格混合算法发展用于涉及动边界的非定常流动计算。发展的算法不仅有理论与学术意义，而且由于算法基于求解工程领域中所经常遇到的无粘Euler方程组和有粘N-S方程组，因此研究成果具有广阔的应用前景。

本项目以旋翼等复杂非定常流场计算为背景，围绕局部无网格数值模拟方法涉及的无网格算法及其拓展应用两方面，就无网格/直角网格混合算法、动态点云技术、动边界非定常流计算、时域无网格算法、WENO重构高精度无网格算法及其无网格方法的GPU并行计算等主要内容进行了研究。引入各向同性与异性无网格点云概念，基于点距控制函数、扰动衰减规律及局部无网格区跟随旋转体运动等动态点云技术，成功地把无网格/直角网格混合算法发展用于求解涉及动边界的非定常粘性流动问题；结合Weiss-Smith型预处理技术，研究了预处理无网格算法，使计算从单纯模拟可压缩流动拓展到模拟几乎不可压的低马赫数流；研究在点云中实施WENO重构所要求的模板，提出一种基于三阶WENO重构的无网格算法，典型流动算例验证了所发展的算法获得的数值解能逼近三阶精度；进行了无网格算法的拓广应用研究，借鉴近似黎曼解方法处理通量运算，通量运算涉及的无网格点云中心点与卫星点连线中点处物理量的左右状态值，改用三阶WENO重构计算，发展出基于WENO重构的时域无网格算法，算例展示了算法处理多体干扰等复杂情形的能力；开展了GPU并行计算技术的跟踪研究，提出了基于GPU并行的无网格算法的具体实施方法，算例验证GPU计算加速的效果。由于本项目发展的算法基于点云结构，计算区域的离散既可直接布点，也可取自网格点，具有灵活性，适合处理多体及多部件干扰等复杂几何问题，因此，具有广阔的应用前景。