【优博微展2018】陈志强：激波数值失稳机理及数值稳定的高精度激波捕获格式研究

陈志强：2018年清华大学优秀博士学位论文二等奖获得者

激波数值失稳机理及数值稳定的高精度激波捕获格式研究

Research on the Mechanism of Shock Instability and the Numerical-Stable Shock-Capturing Scheme

作       者：陈志强          

指导教师：周明

培养院系：航天航空学院             

学       科：航空宇航科学与技术

读博感言：人生真理在勤奋工作中领会

研究背景/选题意义/研究价值

 伴随当代航空航天等领域发展，仿真技术的重要性不断显现，对仿真结果的保真性(Fidelity)也提出了进一步的要求。基于黎曼求解器的激波捕获技术是计算可压缩流动的核心要点之一，但当前Roe等高精度黎曼求解器面临激波数值失稳困扰，且其机理不明，限制了仿真技术在高超音速流动计算中的可靠应用。理解激波失稳机理及给出合理的解决方案对可压缩流动仿真技术的普适应用有重要理论意义和工程意义。

主要研究内容

1. 提出了利用最简单激波捕获模型CSC系统研究激波不稳定性的思路。采用线性稳定性分析方法对CSC系统进行了数值稳定性分析，发现当存在垂直于激波的网格面时，会显著地激发激波失稳。

2. 在现有求解框架下提出了解决激波失稳的准则——移除横面质量通量的压力耗散。基于这个准则，给出了一个完整的抑制激波数值失稳的解决方案——TPDM。

3. 围绕TPDM算法，开发并验证了适用于航空航天的宽马赫数范围可压缩流动求解器——HIRESS。

以统一方式解决各类求解器遇到的激波失稳

30马赫阿波罗任务飞船再入大气

HIRESS用户界面

主要创新点

1. 提出了可有效分析激波捕获格式稳定性及激波数值失稳机理的“单元—激波—单元”模型；

2. 通过理论推导及数值分析，给出了激波数值失稳的机理及根本原因；

3. 在不降低格式精度的前提下，提出了可普遍应用于当前主流求解器的激波数值失稳抑制方法，算例验证了该方法的有效性和通用性。

代表性学术发表

1. Chen Z Q, Huang X D, Ren Y X, Zhou M. General Procedure for Riemann Solver to Eliminate Carbuncle and Shock Instability. AIAA Journal, 2017, 55(6):1-15.

 

2. Chen Z Q, Huang X D, Ren Y X, Xie Z F, Zhou M. Mechanism Study of Carbuncle and Shock Instability Phenomena in Riemann Solver Based Shock Capturing Scheme. AIAA Journal, 2018. 

3. Chen Z Q, Huang X D, Ren Y X, Xie Z F, Zhou M. Mechanism Derived Shock Instability Eliminating Procedure for Riemann Solver Based Shock Capturing Scheme. AIAA Journal, 2018. 

4. Chen Z Q, Zhou M, Xu Q Y, Huang X D. A Novel Quasi-3D Method for Cascade Flow Considering Axial Velocity Density Ratio. International Journal of Turbo & Jet-Engines, 2016. 

5. Xia A G, Chen Z Q, Huang X D, Zhou M. Performance of High Order Method on Simulation of In-Cylinder Tumble Flow. ASME 2017 Internal Combustion Engine Division Fall Technical Conference. 2017. 

作者：陈志强 

供图：陈志强 

编辑：清华大学研究生院 周明坤  吴佳瑛  李文

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