CE/SE算法的流固耦合问题方法及其在爆轰问题中的应用

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随着计算机科学的发展,流固耦合问题的数值模拟技术在科研领域中所占据的地位变得越来越重要。模拟这类问题不仅要精确求解各独立的问题,还要处理好不同问题间的耦合作用。这就要求我们必须选择高精度数值格式和准确的界面耦合描述方法。本文通过改进高精度时空守恒元解元(space-time conservationelement and solution element, CE/SE)方法和多物质界面处理方法,初步建立了一个能够求解考虑化学反应的流固耦合问题的数值模拟平台。利用该平台初步研究了流固耦合效应对气相爆轰中不稳定性问题的影响。具体工作如下:  1.针对目前CE/SE格式难于处理复杂边界、内存消耗大等方面的不足,提出了几种改进格式。首先,通过分析原始的非结构格式,参考Liu格式的计算单元划分方案,提出一种不存在网格依赖性并附加了可调参数β的非结构CE/SE格式。其次,通过重新定义计算单元,提出一种基于四边形单元(可以是结构网格也可以是非结构网格)的本质守恒的自适应CE/SE格式,并谈论了几种计算新增结点变量的方法。该格式中不存在单元尺寸差异引起的守恒误差,资源消耗大的不足也得到了有效地改善。最后,给出CFL条件数不敏感格式、导数加权平均格式和并行计算三种改进手段。  2.改进了多物质界面的处理方法。首先,综合波前追踪法精度高、水平集方法界面光滑和Hermit插值法模板小的优点,提出一种能够与CE/SE格式有机结合并具有三阶精度的界面捕捉方法。该方法能够获得二阶精度的界面法向和曲率信息。其次,以变密度投影法为基础,结合CE/SE方法和新的界面捕捉格式,提出了一种非稳态不可压两相流问题的处理方法。该方法在模拟液滴下落问题时,获得了精确的液滴变形信息和速度分布,验证了新界面捕捉格式的可靠性。再次,针对CE/SE格式必须提出导数边界条件的困难,借鉴Ghost Fluid方法的思路,推导了标量、矢量、二阶张量及其对应一阶导数的边界条件计算公式。  3.初步建立了采用非边界配合法耦合界面,能够模拟考虑化学反应的流固耦合数值平台。依据化学反应流、应力波和CE/SE方法的特点,引入合适的热弹性和化学反应模型,并对这些模型进行验证。使用该平台研究了流固耦合效应对爆轰胞格的影响。
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