Faculty版 - Re: 大家查查 UVA的 Dong Haibo (转载) |
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发帖数: 12756 | 1 【 以下文字转载自 Military 讨论区 】
发信人: dealfinder (Deal+Findddddder), 信区: Military
标 题: Re: 大家查查 UVA的 Dong Haibo
发信站: BBS 未名空间站 (Fri Sep 25 09:47:39 2020, 美东)
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王延奎邀请的董海波教授引智项目总结201807
发布时间：2018-07-12 浏览次数：次
本次合作的主要目的是利用董海波教授发展的高精度和高效数值模拟技术和分析技术指
导正在开展的复杂流动非定常特性研究，为揭示飞行器布局大迎角摇滚运动的非对称流
动机理提供研究思路，进而为最终提出抑制摇滚运动的流动控制新概念和新技术奠定坚
实的基础。Haibo Dong教授汇报了美国在非对称流动高精度CFD计算领域的最新研究成
果，并讨论与课题组进一步合作的相关内容。
Haibo Dong教授在校期间共举办4次公开学术讲座及多次课题组内部讲习工作，在4次公
开学术讲座中，董海波教授分别介绍了自己高精度高效率CFD计算技术的研究进展、物
体运动过程中的非定常流动-运动耦合计算方法以及结合物理机制的流动分析方法等内
容。此外结合本课题组在研课题，在非对称非定常流动运动仿真及分析方法上对课题组
成员进行相关指导，有效的促进了在研课题的推进，并极大的提升了课题组的研究技术
。
Haibo Dong教授首先结合自己对生物飞行和游动中的研究介绍了浸入边界法和对流体的
直接数值模拟方法（DNS）。这两种方法对于研究空空导弹布局大迎角摇滚运动的非对
称流动机理具有重要的价值。
湍流的直接数值模拟（DNS）是直接求解三维非定常N-S方程组，求解时不需要任何湍流
模型也不包含任何人为的假设和经验常数。计算内容包括脉动运动在内的湍流、所有瞬
时变量在流场中随时间演变过程，DNS能提供每一瞬时三维流场完整详尽的流动信息包
括许多迄今还无法用实验测量的量。此外，DNS是一种研究湍流的重要工具，也是研究
湍流机理的最有效的方法之一。但为了能模拟所有尺度的湍流脉动，显示小尺度的涡结
构，直接模拟要求很高的时间和空间分辨率，网格应足够小，因此需要内存很大，只有
高速计算机才能实现湍流直接模拟。在目前计算机资源条件下，DNS大都只能研究低雷
诺数的简单的湍流，但随着计算机的计算能力的不断提高，DNS在湍流研究中工程问题
应用范围也会不断扩大，发挥的作用将越来越重要。对于空空导弹布局大迎角摇滚运动
的非对称流动机理研究，需要对流动中转捩、分离以及旋涡运动进行精确的预测和分析
，采用雷诺平均方法难以捕捉到细微精确的流动现象，且普通商业软件所提供的转捩预
测模型多根据一些经验公式发展而来，预测不够准确，而DNS方法却可以捕捉到精确地
转捩现象，并能较好的预测分离和旋涡运动，这对于空空导弹大迎角非对称流动机理研
究而言是极为重要的。
对于湍流的直接数值模拟，其数值方法主要有谱方法和有限差分法等，其中谱方法是一
种求解偏微分方程的加权余量法，与其它数值计算方法相比，它具有计算误差小，精度
高，收敛快，计算效率高。如采用快速Fourier变换（FFT）使计算工作量降低，更有实
用性。但谱方法的缺点是难于应用于复杂的几何边界问题，不适用流场中存在间断情况
，因此一般该法被用来处理简单几何边界问题。
在科学与工程中经常会遇到复杂几何外形和复杂运动耦合的流动问题，如果在数值模拟
过程中将弹性结构边界作为边界条件处理，除了开始时要建立一个复杂网格之外，还需
要在每个时间步不断改变网格来适应边界的变化，这给计算带来极大的困难。浸入边界
法(ImmersedBoundary Method)的基本思想是将复杂结构的边界模化成Navier-Stokes动
量方程中的一种体力，并使用简单的笛卡尔网格有效地避开贴体网格生成的困难，提高
了计算效率。经过三十几年的不断发展和改进，目前浸入边界法己成功应用于流固耦合
问题、物体绕流以及多相流问题等。
浸入边界法既是一种数学建模方法，又是一种数值离散方法，它的一个主要特点是整个
流场计算都使用笛卡尔网格，而不是按照物体形状生成复杂的贴体网格。笛卡尔网格相
对于贴体网格的优势在于容易生成和计算简单。一个外形复杂的物体生成贴体网格的工
作量一般占整个计算时间的25%,而生成笛卡尔网格则要容易和快速得多。对动边界问题
来讲，若使用贴体网格除了在计算过程中需不断改变网格来适应边界的变化，还需要在
新旧网格上交换各种数据，这两方面不但加大计算量，而且减少了解的精度和稳定性。
浸入边界法使用笛卡尔网格则不需要在每个时间步重建网格，使动边界问题处理起来更
为容易、更加精确。笛卡尔网格相对于贴体网格的另一个好处在于对每一个网格点的运
算量少，因为无论是结构化还是非结构化的贴体网格，在每个网格点计算过程中都要进
行坐标变换。当然笛卡尔网格也存在一定的缺点，当雷诺数增大时笛卡尔网格总数增长
得比贴体网格总数快，对于2D物体两种网格总数量之比与Re成正比，而对于3D物体则与
Re1.5成正比。
浸入边界法的另一个特点就是将浸入边界模化成流场中的力源而不是边界条件，这也是
浸入边界法可以使用笛卡尔网格进行计算的原因。目前按照对力源项处理方式将浸入边
界法分为两类：连续力法和离散力法。连续力法的力源项满足某种特定的力学关系式(
如虎克定律)，一般具有解析表达式,主要用于处理弹性边界问题。所谓的弹性边界问题
是指弹性结构在流场中的响应与运动问题。离散力法的力源项由离散后的控制方程求出
，一般无法获得其解析表达式，主要用于处理固体界面问题(如刚体绕流)，此类问题的
物体形状不会发生改变，而且流场只存在于物体的外部（或内部）。
除了讲解浸入边界法和直接数值模拟这两种方法外，haibo Dong教授还讲解了在流场数
据分析中的本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition，即POD)方法以及通过分
解后的流场模式反求物体受力即force survey method方法。本征正交分解方法，在奇
值分析和样本识别中称为Karhunen-Loeve展开，是近些年发展起来的用来处理大批量数
据的一种十分有效的手段。该方法的本质是指：在最小二乘意义下提供一组能够代表已
知数据的正交基，然后用这组正交基对未知变量进行线性拟合,从而得到低维的近似模
型，从而达到简化数学模型，提高计算效率的目的。haiboDong教授对拍动翼流场进行
POD分解，得到若干流场模态，通过force surveymethod（FSM方法）寻求物体受力结果
，得到了主控物体侧向力、阻力等对应的不同流场模态。这对于高机动飞行器飞行中采
用头部扰动方法进行流动控制问题的研究具有重要意义。
版权所有 2017 北京航空航天大学 航空科学与工程学院
Copyright 2017 ASE, BUAA
: https://ocean.pku.edu.cn/info/1084/3047.htm
: 我看了一下挺频繁的，和国内的联系的。 PKU
: https://ses.ustc.edu.cn/2018/0716/c1694a271160/page.psp
: 中科大
: http://www.cesc.zju.edu.cn/flight/redir.php?catalog_id=7 | f*********a
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