To enhance the computational efficiency of spatio-temporally discretized phase-field models,we present a high-speed solver specifically designed for the Poisson equations,a component frequently used in the numerical c...To enhance the computational efficiency of spatio-temporally discretized phase-field models,we present a high-speed solver specifically designed for the Poisson equations,a component frequently used in the numerical computation of such models.This efficient solver employs algorithms based on discrete cosine transformations(DCT)or discrete sine transformations(DST)and is not restricted by any spatio-temporal schemes.Our proposed methodology is appropriate for a variety of phase-field models and is especially efficient when combined with flow field systems.Meanwhile,this study has conducted an extensive numerical comparison and found that employing DCT and DST techniques not only yields results comparable to those obtained via the Multigrid(MG)method,a conventional approach used in the resolution of the Poisson equations,but also enhances computational efficiency by over 90%.展开更多
使用激波捕捉法求解以数学间断作为初始条件的无黏可压缩流场时,间断结构会逐渐演变为包含多个网格节点的数值过渡区,在此过程中会产生两个平行于间断且规则分布的非物理波动。使用捕捉法计算激波流场时,流场参数应满足修正方程,但作为...使用激波捕捉法求解以数学间断作为初始条件的无黏可压缩流场时,间断结构会逐渐演变为包含多个网格节点的数值过渡区,在此过程中会产生两个平行于间断且规则分布的非物理波动。使用捕捉法计算激波流场时,流场参数应满足修正方程,但作为初始条件进行计算的初始激波满足Euler方程,两者之间的矛盾是产生初始激波诱导非物理波动的原因。鉴于激波等间断是由特征型Euler方程定义的,从该方程出发构造了一种基于特征值迎风特性的通量计算格式(upwind flux scheme based on characteristics,UFSC),并采用若干种常规守恒型通量分裂格式作为参考。数值计算结果表明,UFSC可以消除Steger-Warming、Van Leer等矢通量分裂格式的初始接触间断诱导非物理波动,还可以减小初始激波诱导扰动的幅值。在光滑流场区域,UFSC和矢通量分裂格式的计算结果相近,但是在强激波附近会出现较大的压力尖峰。为克服这一缺陷,进一步构造了在激波区域和其他区域分别采用Steger-Warming格式和UFSC格式计算的混合通量计算格式UFSC+S,可以有效抑制初始激波诱导误差,提高计算精度。展开更多
尽管以二阶精度格式为基础的计算流体力学(CFD)方法和软件已经在航空航天飞行器设计中发挥了重要的作用,但是由于二阶精度格式的耗散和色散较大,对于湍流、分离等多尺度流动现象的模拟,现有成熟的CFD软件仍难以给出满意的结果,为此CFD...尽管以二阶精度格式为基础的计算流体力学(CFD)方法和软件已经在航空航天飞行器设计中发挥了重要的作用,但是由于二阶精度格式的耗散和色散较大,对于湍流、分离等多尺度流动现象的模拟,现有成熟的CFD软件仍难以给出满意的结果,为此CFD工作者发展了众多的高阶精度计算格式.如果以适应的计算网格来分类,一般可以分为基于结构网格的有限差分格式、基于非结构/混合网格的有限体积法和有限元方法,以及各种类型的混合方法.由于非结构/混合网格具有良好的几何适应性,基于非结构/混合网格的高阶精度格式近年来备受关注.本文综述了近年来基于非结构/混合网格的高阶精度格式研究进展,重点介绍了空间离散方法,主要包括k-Exact和ENO/WENO等有限体积方法,间断伽辽金(DG)有限元方法,有限谱体积(SV)和有限谱差分(SD)方法,以及近来发展的各种DG/FV混合算法和将各种方法统一在一个框架内的CPR(correction procedure via reconstruction)方法等.随后简要介绍了高阶精度格式应用于复杂外形流动数值模拟的一些需要关注的问题,包括曲边界的处理方法、间断侦测和限制器、各种加速收敛技术等.在综述过程中,介绍了各种方法的优势与不足,其间介绍了作者发展的基于"静动态混合重构"的DG/FV混合算法.最后展望了基于非结构/混合网格的高阶精度格式的未来发展趋势及应用前景.展开更多
基金Supported by Shanxi Province Natural Science Research(202203021212249)Special/Youth Foundation of Taiyuan University of Technology(2022QN101)+3 种基金National Natural Science Foundation of China(12301556)Research Project Supported by Shanxi Scholarship Council of China(2021-029)International Cooperation Base and Platform Project of Shanxi Province(202104041101019)Basic Research Plan of Shanxi Province(202203021211129)。
文摘To enhance the computational efficiency of spatio-temporally discretized phase-field models,we present a high-speed solver specifically designed for the Poisson equations,a component frequently used in the numerical computation of such models.This efficient solver employs algorithms based on discrete cosine transformations(DCT)or discrete sine transformations(DST)and is not restricted by any spatio-temporal schemes.Our proposed methodology is appropriate for a variety of phase-field models and is especially efficient when combined with flow field systems.Meanwhile,this study has conducted an extensive numerical comparison and found that employing DCT and DST techniques not only yields results comparable to those obtained via the Multigrid(MG)method,a conventional approach used in the resolution of the Poisson equations,but also enhances computational efficiency by over 90%.
文摘使用激波捕捉法求解以数学间断作为初始条件的无黏可压缩流场时,间断结构会逐渐演变为包含多个网格节点的数值过渡区,在此过程中会产生两个平行于间断且规则分布的非物理波动。使用捕捉法计算激波流场时,流场参数应满足修正方程,但作为初始条件进行计算的初始激波满足Euler方程,两者之间的矛盾是产生初始激波诱导非物理波动的原因。鉴于激波等间断是由特征型Euler方程定义的,从该方程出发构造了一种基于特征值迎风特性的通量计算格式(upwind flux scheme based on characteristics,UFSC),并采用若干种常规守恒型通量分裂格式作为参考。数值计算结果表明,UFSC可以消除Steger-Warming、Van Leer等矢通量分裂格式的初始接触间断诱导非物理波动,还可以减小初始激波诱导扰动的幅值。在光滑流场区域,UFSC和矢通量分裂格式的计算结果相近,但是在强激波附近会出现较大的压力尖峰。为克服这一缺陷,进一步构造了在激波区域和其他区域分别采用Steger-Warming格式和UFSC格式计算的混合通量计算格式UFSC+S,可以有效抑制初始激波诱导误差,提高计算精度。
文摘尽管以二阶精度格式为基础的计算流体力学(CFD)方法和软件已经在航空航天飞行器设计中发挥了重要的作用,但是由于二阶精度格式的耗散和色散较大,对于湍流、分离等多尺度流动现象的模拟,现有成熟的CFD软件仍难以给出满意的结果,为此CFD工作者发展了众多的高阶精度计算格式.如果以适应的计算网格来分类,一般可以分为基于结构网格的有限差分格式、基于非结构/混合网格的有限体积法和有限元方法,以及各种类型的混合方法.由于非结构/混合网格具有良好的几何适应性,基于非结构/混合网格的高阶精度格式近年来备受关注.本文综述了近年来基于非结构/混合网格的高阶精度格式研究进展,重点介绍了空间离散方法,主要包括k-Exact和ENO/WENO等有限体积方法,间断伽辽金(DG)有限元方法,有限谱体积(SV)和有限谱差分(SD)方法,以及近来发展的各种DG/FV混合算法和将各种方法统一在一个框架内的CPR(correction procedure via reconstruction)方法等.随后简要介绍了高阶精度格式应用于复杂外形流动数值模拟的一些需要关注的问题,包括曲边界的处理方法、间断侦测和限制器、各种加速收敛技术等.在综述过程中,介绍了各种方法的优势与不足,其间介绍了作者发展的基于"静动态混合重构"的DG/FV混合算法.最后展望了基于非结构/混合网格的高阶精度格式的未来发展趋势及应用前景.
