国家自然科学基金结题报告-吴子牛Word下载.doc

国家自然科学基金结题报告-吴子牛Word下载.doc

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ziniuwu@

依托单位：

清华大学

联系人：

宿芬

010-62784622

资助金额：

80（万元）

累计拨款：

80.0000

（万元）

执行年限：

2001.01-2004.12

填表日期：

2004年年12月月20日

日

111440

国家自然科学基金委员会制（2004年11月）

第第36页页

关于填报《国家自然科学基金资助项目结题报告》的说明F2004

一.国家自然科学基金资助项目结束后，项目负责人须按要求认真填报《国家自然科学基金资助项目结题报告》（简称《结题报告》），以此作为资助项目研究工作的重要档案，并作为项目验收和评估的主要依据。

二.项目负责人及其合作者应认真阅读自然科学基金资助项目和财务管理的有关规定、办法（查阅），在项目研究工作的基础上，实事求是地撰写《结题报告》并提供必要的附件材料，保证填报内容真实、数据准确。

三.项目依托单位按规定要求认真审查，确保材料齐全，在次年申请项目时将电子文档和一份纸质文档统一报送国家自然科学基金委员会。

四.国家自然科学基金委员会负责跟踪和管理结题项目的成果，根据情况在2-3年后对项目执行情况进行评估。

请项目负责人在结题后三年内继续提供项目研究后期正式发表或公布的成果，一并存档并作为项目管理和评估的依据。

五.《结题报告》由报告正文、研究成果目录表、统计数据表、审核意见表、经费决算表和附件等部分组成，有关格式和撰写说明详见“《结题报告》报告正文撰写提纲”。

六.研究结束后，项目（课题）负责人应会同依托单位财务部门清理账目，根据批准的预算经费，如实编报资助项目（课题）经费决算，逐项列出单项固定资产超过5万元的名称及使用情况说明，争取其他渠道经费情况等。

须对项目经费的收、支、余情况作出总体的文字说明，当经费支出与经费预算相差较大时，需要着重说明；

拨入经费与预算经费不相等时，需要特别说明。

合作经费要按照合作单位经费实际开支内容并入《经费决算表》的各类开支科目。

经费决算表（重大项目除外）的书面材料由依托单位科研管理部门、财务部门审核签署意见后存档备查。

重大项目按照《国家自然科学基金项目资助经费管理办法》第二十一条编报决算，向自然科学基金会同时报送书面材料与电子文档。

国家自然科学基金强调科学道德和良好的学风，反对弄虚作假和浮躁作风，要求认真工作、填报材料实事求是。

基础研究允许探索和失败，特别是面上项目，关键看工作状况和发展态势。

如有这种情况，也请在报告中实事求是地反映出来。

国家自然科学基金资助项目《结题报告》撰写提纲与说明

基金资助项目《结题报告》总体结构上分为：

1）报告正文、2）成果目录表、3）成果数据统计表、4）项目负责人签字及部门审核意见表、5）附件材料，请项目负责人参照以下提纲及其说明认真撰写，并可根据需要自行增设栏目或补充必要的图表。

《结题报告》要求全面地反映资助项目的工作情况和研究进展，如实地体现资助项目的研究计划要点、执行情况、主要进展与成果、人才培养、合作交流、经费使用以及研究计划调整等情况，重点描述研究进展与重要的研究成果。

请精心撰写并认真核对，确保“内容真实、数据准确”。

在撰写风格上请注意“重点突出，语言精练、准确”，做到“结构合理，层次分明，标题突出，条目清晰”，必要的地方可图表、图文并茂。

《结题报告》撰写完毕后，请删除不再需要保留的说明，如填表说明等，使最终的版面更加简洁、美观、大方。

一、报告正文。

参照提纲格式自由撰写，并可以根据需要分解或增设栏目。

要求层次分明、条目清晰、内容准确。

主要栏目为:

1、摘要，关键词，abstract，keywords。

以深入浅出的语言简明扼要地概括出项目的精华，如背景、方向、主要内容、重要结果、关键数据及其科学意义等。

关键词和keywords各不超过5个，并用分号隔开。

2、研究计划要点及执行情况概述。

是否按计划进行，哪些内容作了必要的调整和变动，哪些研究内容未按计划进行，原因何在。

3、研究工作主要进展和所取得的成果。

本部分内容是《结题报告》的核心部分，也是基金资助项目中最有学术价值和可供其它研究者进一步研究的基础，要求项目负责人和承担者实事求是地认真撰写，包括代表性成果介绍，说明其水平和影响，并简要阐述其科学意义或应用前景等。

视情提供必要的国内外动态和研究成果的比较，必要的参考文献出处等。

对重要的研究进展或成果，请尽可能“一事一议”，分段撰写，以便今后成果展示或管理汇报时可以整段地剪贴引用。

对在后面成果目录表及统计数据表中的一些内容，如国际学术奖、数据库、软件等，应在本部分中具体地描述。

最后，根据个人的实际贡献等,概述本项目研究人员的合作与分工，列出项目执行期间主要研究人员和中途调离、退出的研究人员的名单，并简要说明原因。

4、国内外学术合作交流与人才培养情况（如无，可以不写）。

组织国内外学术活动的情况，包括会议主题、内容、规模、时间、地点、效果等。

国际会议大会特邀报告及参加组委会情况等，请提供邀请信等必要的复印件。

研究生培养情况,列出研究生姓名、研究方向、论文题目、导师姓名、已答辩或预计答辩的年月。

促进研究成果的传播、应用情况，包括科普等。

5、存在的问题、建议及其他需要说明的情况。

包括项目研究工作中的难点和经验，本项目研究是否达到预期目标，如未达到，请分析原因和可能的解决途径。

今后进一步研究的建议和设想。

注：

基础研究具有一定的探索性，研究过程中的结果、不成功的试验以及不理想的结果都可能具有参考价值，即使失败的经验也是有价值的。

如有此类情况，请具体描述研究过程，列出试验条件、现象等要点，其目的是总结经验，使其他研究者少走弯路。

二、研究成果目录和数据统计表。

为了规范管理，获得准确的统计数据，如实反映自然科学基金资助项目的研究成果，要求数据必须准确并保证几个表的数据相对应、一致。

成果类型分为“获奖、专利、专著、期刊论文、会议论文、其他”六大类，请归类集中填写，逐类单独编号；

未标注“国家自然科学基金资助及批准号”的论文排在相应类别的后面，无正式录用证明的论文暂不列入，表格不够可自行增加；

成果名称栏目填写论文题目或专利或奖励名称；

主要完成人根据作者或获奖人实际情况按顺序填写，并在论文通讯作者后加*标注；

成果说明栏目分别按以下格式填写：

1）期刊论文按“全部作者，论文题目，刊物名称﹒卷（期）﹒起-止页码，年月（SCI,EI,ISTP,ISR收录，如是该类杂志）”格式填写说明；

2）会议论文按“国际/国内，特邀报告/口头报告/墙报展示，全部作者，论文题目，会议名称，时间，地点”格式填写说明；

3）专著按“全部作者，书名、出版社，出版时间，字数，发行量”格式填写说明；

4）专利按“获准专利国别，类别，专利号，获专利时间”格式填写说明；

5）获奖按“授奖单位，授奖时间，奖励名称，等级”格式填写说明。

6）其他，根据实际情况填写并做必要的说明。

是否标注“国家自然科学基金资助及项目编号”的情况，请根据实际情况在标注栏中说明；

选项为①标注资助号，②未标资助号，③空白（表示什么也没标）。

被SCI或EI、ISTP、ISR收录的，除注明是否标注国家自然科学基金资助外，尚需加填SCI或EI等缩写词；

三、附件材料，随纸制结题报告，提供所要求和其他必要的材料。

1.提供不超过6篇代表性论著的原件或复印件，其余论著提供首页和有标注国家自然科学基金项目资助页的复印件，研究生学位论文提供封面复印件。

装订顺序须与研究论著目录中的排序一致;

2.已录用的稿件除首页和标注页之外，须附编辑部录用证明的复印件；

3.大会特邀报告须提供邀请函以及会议文集有关目录的复印件；

4.研究成果附件（科学技术鉴定证明书、奖励证书、专利证书的复印件），装订顺序须与研究成果目录中的排序一致。

项目摘要

中文摘要（500字以内）：

界面问题在流体力学和计算流体力学中间很普遍。

其中较为重要的有网格界面、并行界面、两相流界面、数学界面（如粘流无粘流界面，pde与ode界面），国内外对这类问题的研究很重视。

我们针对这些广义的界面问题进行了深入研究。

首先，我们研究了覆盖分区计算的守恒性、系列加密界面对定常解的精度影响、界面对紧致格式的影响等分区计算理论问题，获得了一系列研究成果；

利用分区理论研究成果，提出了绝对并行效率接近100％、不需要子迭代、不需要修改算子的隐式迎风格式并行计算方法；

对液滴与固体壁面碰撞进行了理论研究，获得了碎裂临界条件和飞溅液滴的分布规律；

提出了带源项的湍流模型混合解析数值方法，即偏微分方程部分用数值方法，点源部分用解析方法，混合方法比纯粹的数值方法更稳定，精度更高；

首次发现微流动问题的滑移界面可以导致一种新的流动不稳定；

完成了一部有特色的计算流体力学专著，在国内被大量使用。

关键词（不超过5个，用分号分开）:

界面，守恒性，稳定性，液滴破碎，计算流体力学

Abstract（limitedto500words）：

TherearemanyinterfaceproblemsinFluidMechanicsandComputationalFluidDynamics.Themostimportantincludegridinterfaces,parallelinterfaces,two-phaseflowinterfaces,andsomemathematicalinterfaces（suchashybridviscous/inviscidflowinterface,interfacefromcouplingofpdeandode）.Theseinterfaceproblemshavereceivedactiveattentionsintheworld.Wehavefirststudiedgridinterfaces,notablywehaveanalyzedthequestionofconservation,accuracyandstabilityforoverlappinggridinterfacesorrefinementinterfaces.Wehavealsostudiedanewparallelmethodforimplicitupwindschemes,thismethoddoesnotrequireanyiterationateachtimestepandmodificationoftheinteriordifferencescheme.Anotherworkisconcernedwithdropletwallimpact.Wehavederivedabreakupconditionforadropletimpingingonahotanddrywall,andobtainedanexpressionforthedistributionfunctionofthesizeofsecondaryejecteddropletsafterdisintegrationonaroughwallofahighvelocitydroplet.Amixedanalyticalnumericalmethodisproposedforsolvingthetwo-equationturbulentmodels.Inthismethodwesplitthemodelintoapdeandanode（sourceterm）.Thepdeisintegratednumericallywhiletheodeisintegratedanalytically.Finallyitisfoundthatwallslipcaninduceanewtypeofinstability.Asannon-researchworkwehavewrittenabook“BasicsforComputationalFluidDynamics”,thisbookisfrequentlyusedintheChinesesocietyofCFD.

Keywords（limitedto5keywords,seperatedby;

）:

Interface;

Conservation;

Stability;

Dropletbreakup;

CFD

报告正文

界面问题在计算流体力学部分领域中的应用

1．摘要与关键词

【摘要】界面问题在流体力学和计算流体力学中间很普遍。

关键词界面，守恒性，稳定性，液滴破碎，计算流体力学

AbstractTherearemanyinterfaceproblemsinFluidMechanicsandComputationalFluidDynamics.Themostimportantincludegridinterfaces,parallelinterfaces,two-phaseflowinterfaces,andsomemathematicalinterfaces（suchashybridviscous/inviscidflowinterface,interfacefromcouplingofpdeandode）.Theseinterfaceproblemshavereceivedactiveattentionsintheworld.Wehavefirststudiedgridinterfaces,notablywehaveanalyzedthequestionofconservation,accuracyandstabilityforoverlappinggridinterfacesorrefinementinterfaces.Wehavealsostudiedanewparallelmethodforimplicitupwindschemes,thismethoddoesnotrequireanyiterationateachtimestepandmodificationoftheinteriordifferencescheme.Anotherworkisconcernedwithdropletwallimpact.Wehavederivedabreakupconditionforadropletimpingingonahotanddrywall,andobtainedanexpressionforthedistributionfunctionofthesizeofsecondaryejecteddropletsafterdisintegrationonaroughwallofahighvelocitydroplet.Amixedanalyticalnumericalmethodisproposedforsolvingthetwo-equationturbulentmodels.Inthismethodwesplitthemodelintoapdeandanode（sourceterm）.Thepdeisintegratednumericallywhiletheodeisintegratedanalytically.Finallyitisfoundthatwallslipcaninduceanewtypeofinstability.Asannon-researchworkwehavewrittenabook“BasicsforComputationalFluidDynamics”,thisbookisfrequentlyusedintheChinesesocietyofCFD.

KeywordsInterface;

CFD

2．研究计划要点及执行情况

原研究计划涉及六个方面的内容：

A． 分区计算理论问题的系统化与推广。

B． 覆盖分区并行计算方法。

C． 多尺度问题统一计算方法研究。

D． 多体干扰流动机理研究。

E． 两相流中液体（滴）与固体壁面的相互作用研究。

F． 完成一部有特色的计算流体力学专著。

下面是各内容的具体设想：

关于A（分区界面）：

分区计算方法将继续在计算流体力学领域发挥不可替代的作用。

该方法所涉及的理论问题在国际上只有极少数学者偶尔涉足研究。

申请人为国际上唯一持之以恒进行系统研究的学者。

虽然以申请人为主的研究成果覆盖了分区算法的主要领域（耦合条件、稳定性、收敛性、解的唯一性、守恒性），但部分结论可以进一步推广，这些推广对分区计算问题获得坚实的理论基础具有重要意义。

关于B（并行界面）：

分区并行计算已经在计算流体力学领域获得广泛应用并且有进一步发展的前景。

隐式算法的并行化处理是研究的重点。

传统方法或需要格外迭代（如SCHWARTZ，SHURCOMPLEMENT）、或需要修改差分算子（如WANG的算子并行法）、或者属于没有理论基础的近似方法（如在分区边界简单令矩阵元素为0）。

申请者受其在最优覆盖长度理论的指导，已经就双曲问题构造了无迭代、无需修改算子、有严格理论基础、具有高并行效率的覆盖分区算法。

这些刚起步的研究结果需要进一步发展并推广到粘流问题。

关于C（尺度界面）：

多尺度问题包括空间多尺度（湍流的尺度、激波等间断、声波、等等）、时间多尺度（定常、快非定常、极慢非定常）、特征多尺度（雅可比矩阵的不同大小特征值）和影响多尺度（如湍流模型方程所隐含的时间尺度与平均流动尺度相比小许多量级）。

空间多尺度问题主要通过高精度、高分辨率激波捕获、自适应网格等技术计算，在此方面国内外有大量研究成果。

对于时间多尺度中的定常问题主要有隐式方法和多重网格方法等加速收敛方式；

对于快非定常问题可以采用多步龙格-库塔法等显式方法；

极慢非定常问题在最近受到重视，它既要求具有高时间精度、又要求取大时间步，目前人们试图采用双时间步方法求解（物理时间步用传统显式离散以获得时间精度、虚时间步用隐式离散以保证稳定）。

对于数学多尺度问题，主要涉及不可压、亚跨超统一计算问题，人们主要采用条件化预处理技术。

因此多尺度问题的计算具有重要意义。

关于D（物体分区界面）：

多体干扰对流动物理特别是旋涡的生成与控制有重要意义。

对于圆柱问题国内外包括申请人（已经协助指导一篇博士论文）已经做了一些实验与数值模拟研究。

目前研究的重点是小圆柱可以抑制大圆柱的涡脱落。

关于E（介质界面）：

液体特别是液滴与固体壁面的碰撞在航空航天、汽车、材料科学以及化工等领域有广泛的应用，其机理研究有重要的理论意义与应用前景。

早期主要进行实验研究。

近来随着CFD技术的发展，国内外进行了大量数值研究。

申请者曾通过简化稳定性分析，对碰撞的流动现象（包括弹跳、伸张与碎裂）进行了描述，最近进行了数值模拟，得出了液滴变形的一些规律。

部分规律被国外大量实验结果证实。

但存在许多基础问题需要研究，包括弹跳准则、碎裂准则、碎裂规律、变形规律、等等。

以申请人在这方面工作的积累，有望能进行深入，发现更多有用规律。

关于Ｆ：

目前的计算流体力学专著大部分侧重计算格式的介绍，没有把它当着独立学科介绍。

把计算流体力学基本原理作为一个独立体系介绍，又大量融入最新研究成果，对促进计算流体力学发展具有重要意义。

实际上，在A,B,C,E,F五个方面取得一些成果，而针对D只有一些软件方面的工作。

具体情况如下，

A研究了覆盖分区算法的守恒性问题，多加密界面的精度问题和加密界面对紧致格式的稳定性与守恒性影响。

另外还提出了一种带有多加密界面的九分笛卡儿网格算法。

B提出了一种不需要迭代、不需要修改算子的隐式迎风格式的并行计算方法，对收敛速度和并行效率进行了理论分析。

理论分析和数值计算表明，针对这种问题，如果忽略数据交换带来的机时，并行效率接近100％。

C多尺度问题的计算包含的问题太多。

我们考虑几种问题，如定常流非定常流统一计算问题，采用可压缩流方程加预处理计算不可压缩流问题，以及源项多尺度问题的计算方法研究。

前几个问题我们没有获得系统理论成果，只是采用计算一些工程问题，但对于源项多尺度问题，我们提出了混合解析数值方法，取得了一系列成果。

E对于介质界面，我们研究了高速液滴与固体壁面的碰撞，获得了液滴碎裂的临界条件和飞溅液滴的粒径分布规律。

F计算流体力学基本原理这一专著于2001年发表，许多CFD工作者用作参考。

在项目执行过程中，也开展了一些原计划没有列入的工作，如湍流模型的适定性问题，无粘流/粘流界面的适定性问题，数值激波中的峰值现象，欧拉拉格朗日统一坐标系统中的奇异现象，微流动稳定性问题的研究。

其中针对微流动，我们首次发现壁面滑移导致一种新的不稳定，目前已经申请了另一项面上基金资助，希望对问题的本质进行更系统研究。

针对统一坐标系统的不足，提出了一种新的坐标系统，广义特征坐标系统，坐标系速度与当地波速一致，这样可以有效捕获膨胀波，以此工作获得了基金委-9院联合基金资助，目前进展顺利。

3.研究工作主要进展和所取得的成果

由于在杰出基金资助期间，发表了大量成果，这里不可能一一介绍，只挑出三项具有系