无网格数值模拟的并行算法研究

对无网格数值模拟的并行算法进行了详细研究.包括使用并行桶搜索算法进行节点搜索,使用并行几何搜索算法进行样点搜索,并行计算无网格形函数及其导数,边界条件的并行处理,使用并行预处理共轭梯度法求解方程组以及负载平衡等.最后给出了无网格数值模拟并行计算的实施流程和计算实例.计算结果表明,无网格数值模拟具有很高的并行性和很好的并行效率,计算规模越大,并行效率越高.     

移动网格技术在计算流体动力学数值仿真中的应用

基于调和映射理论,将移动网格技术(moving mesh technolog)应用到计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)的数值仿真计算中.推导了移动网格技术在处理大变形问题时求解域的更新过程,并给出了相应的程序流程图,解决了传统固定网格无法模拟大变形的问题.利用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics 4.0a将移动网格方程与流体流动的控制微分方程耦合求解,模拟了油箱晃动时里面油的运动情况.数值模拟得出:移动网格技术可以较真实的模拟流体求解域的大变形问题;在仿真过程中,流体求解域范围内的节点和网格数量并没有增加,只是网格的形状发生了改变,因此移动网格方法并不会额外增加计算机资源.     

基于重叠网格的C11集装箱船自由衰减横摇模拟

为研究C11型集装箱船的大幅横摇阻尼,基于STAR-CCM+软件平台,使用重叠网格技术和流体体积函数(VOF)方法,通过求解纳维-斯托克斯方程,对该船零航速和有航速下自由衰减横摇运动进行数值模拟.数值模拟结果表明:湍流模型、运动方程约束自由度设置情况、初始横摇角释放时间等对横摇结果影响较大;使用k-epsilon湍流模型、放开6自由度、待流场稳定后释放船模所得的计算结果与试验值符合较好.     

纯无网格并行计算在传热方程数值模拟中的应用

考虑纯无网格并行计算在传热方程数值模拟中的应用. 首先将Taylor展开式保留到三阶导数, 拓展应用纯无网格有限点集法(FPM), 对三维热传导方程进行求解以提高数值精度； 其次引入MPI并行计算技术, 通过循环语句的并行, 采用多个CPU计算以提高计算效率, 得到一种针对三维热传导问题模拟的可靠、 高效性纯网格并行FPM算法. 在数值算例中, 先对不同区域上带不同边值条件的传热问题进行求解, 并与解析解对比, 分析给出算法的计算效率和误差； 然后用给出的并行算法对功能梯度材料中温度随时间演化过程进行模拟预测, 并与其他数值结果做比较, 以验证数值预测的可靠性.     

纯无网格并行计算在传热方程数值模拟中的应用

考虑纯无网格并行计算在传热方程数值模拟中的应用. 首先将Taylor展开式保留到三阶导数, 拓展应用纯无网格有限点集法(FPM), 对三维热传导方程进行求解以提高数值精度; 其次引入MPI并行计算技术, 通过循环语句的并行, 采用多个CPU计算以提高计算效率, 得到一种针对三维热传导问题模拟的可靠、 高效性纯网格并行FPM算法. 在数值算例中, 先对不同区域上带不同边值条件的传热问题进行求解, 并与解析解对比, 分析给出算法的计算效率和误差; 然后用给出的并行算法对功能梯度材料中温度随时间演化过程进行模拟预测, 并与其他数值结果做比较, 以验证数值预测的可靠性.     

基于任意多面体网格的Navier-Stokes方程并行求解器

发展了一种基于任意多面体网格的Navier-Stokes(NS)方程并行求解器,基于积分守恒形式NS方程组,发展了支持任意多面体网格的中心有限体积方法。采用基于面的连接关系,对不同拓扑类型的网格[如结构网格、非结构混合网格、多面体网格及剪切六面体(TRIMMER)网格]进行统一处理。对于无黏通量空间离散格式采用HLLEW(Harten-Lax-Van Leer-Einfeldt-Wada)格式,湍流模型采用k-ω两方程模型,时间推进采用适合并行计算的DP-LUR(data-parallel lower-upper relaxation)格式的隐式算法。对RAE2822翼型和ONERA M6机翼的结构网格、混合网格、多面体网格及TRIMMER网格进行了对比验证,结果表明发展的求解器具有较好的网格普适性,在不同拓扑类型的网格上均能求得较为接近实验值的结果;对多面体网格测试了加速比和并行效率,并行计算大大提高了计算效率。证明了求解器具有宽广的网格适应性,能够较为稳定、快速、准确地模拟定常绕流问题。     

方形通道内流体流动的耗散粒子动力学并行计算

利用耗散粒子动力学(DPD)对方形通道内流体流动进行了模拟.通道壁面由3层粒子组成.在壁面附近实施了无滑移边界条件,在流动方向实施了周期性边界条件.计算中对每一颗粒子施加重力,从而驱动整个流体流动.计算结果表明,流体充分发展的速度分布与基于N-S方程的数值模拟结果一致.并行计算结果表明,DPD很适合于并行计算.与每个节点所处理的总的粒子数目相比,只有少数粒子参与通信,因此能够获得较高的并行效率.当节点数目为18时,并行效率仍然在80%以上.     

基于梁刚体元模型的圆柱风致响应耦合分析

基于梁刚体元方法提出了圆柱风致响应分析的近似模型,通过计算流体动力学(CFD)求解器FLUENT及其动网格方法求解流体方程,实现了结构与流体的流固弱耦合分析,并利用精细积分法提高了结构的动力分析效率.针对梁刚体元近似模型、刚性模型与弹性模型,比较了不同风速下三维圆柱结构的顶部位移与加速度响应.结果表明,随着风速的增大,结构横向振动幅值呈非线性增加;不考虑耦合作用的刚性模型计算结果误差较大.     

基于MPI的三维枝晶生长相场法的并行计算

充分利用MPI(message passing interface)在并行环境下远高于单CPU的强大计算能力,探索基于MPI的并行系统结构,求解三维枝晶生长的高性能计算方法.通过多进程的并发执行,实现三维相场方程求解的并行计算,探讨MPI中点对点通信与集合通信在并行计算时数据传输的效率,讨论热噪声幅值Fu=0与Fu=10-3时三维枝晶生长过程.计算结果表明:基于MPI的并行算法可使模拟尺度达到1 000×1 000×1 000网格,大大提高可模拟尺度;采用集合通信模式比点对点通信模式具有更高的并行效率,更加适合大规模并行计算环境.     

混合网格化学非平衡绕流通量分裂格式及并行算法

讨论了非结构混合网格上的二阶VanLeer逆风矢通量分裂格式,并将其应用于三维高超声速化学非平衡粘性流场的并行计算.高超声速绕流的复杂性要求对N-S方程求解的数值模拟方法应具有较高的计算精度及效率.我们针对混合网格上的有限体积格心格式,引入辅助点方法建立了具有空间二阶精度的VanLeer逆风矢通量分裂格式,提高了数值格式的模拟精度,并采用分布式并行化计算技术用以提高计算效率.粘性通量的计算采用中心格式,化学非平衡动力学模型为7组元空气反应模型,采用考虑了化学反应特征时间的当地时间步长显式Runge-Kutta时间推进格式.对三维双椭球外形的高超声速粘性流场进行了并行计算,获得满意的结果.     

区域地面沉降数值模拟可视化系统开发及应用

为减小建模工作量,降低数值模拟的门槛,利用Matlab软件开发区域地面沉降数值模拟可视化系统,用于高效建立数值模型,预测抽取地下水引起的区域地面沉降量.系统共有数据分析、模型管理、网格剖分、前处理、后处理及模型求解六个主模块.数据分析模块用于管理并分析钻孔、水位、分层标三种时空数据,初步计算模型参数.网格剖分、前处理和后处理模块用于建立并运行模型,校正参数,输出结果可视化,进行模型不确定性分析.运用可视化系统,能够快速建立、校正上海市地面沉降数值模型.上海市地面沉降模型预测结果显示2012~2022年间上海地面将回弹抬升0~30 mm.     

翼型颤振分析的时域方法

使用全耦合法预测了翼型NLR7301的颤振边界.在流体域的动网格上,通过求解非定常的雷诺平均N-S方程,计算出翼型表面的非定常气动力.在耦合了翼型的结构动力学方程后,得到翼型表面的变形位移,通过变形网格技术对流体域的网格进行更新.在此基础上利用时间推进的方法模拟了翼型的自激振动过程.     

大型空间环形桁架天线反射器展开动力学模拟与实验研究

近年来,可展开环形桁架天线被广泛应用于航天领域,将其作为提升通信卫星水平的关键技术.环形桁架式天线反射器可以看作是由可展开环形桁架和柔性索网反射器组成的复杂刚-柔耦合多体系统.为了精确表征柔性构件发生的大转动、大变形运动特性,本文采用结合绝对节点坐标方法(ANCF)与自然坐标方法(NCF)的绝对坐标(ACB)方法对该系统进行建模.为了提高天线展开动力学模拟的计算效率,文中提出基于静力缩聚法和多层区域分解方法的并行求解算法实现大规模刚-柔多体系统动力学方程的高效求解.此外,为了精确反映反射器不同步展开现象,在展开动力学模型中考虑驱动力衰减的影响.最后,基于上述方法对环形桁架天线反射器展开的第二阶段进行动力学分析,并通过4 m缩比环形桁架天线地面实验验证数值模拟的结果.     

PABR 的 RTD 实验 CFD 模拟研究

为解决传统的流动和传质特性研究只能通过实验方法获得一些经验性关系的局限性问题, 采用计算流体 动力学(CFD: Computational Fluid Dynamic)技术对微生态周期切换式厌氧系统(PABR: Periodic Anaerobic Baffled Reactor)进行了停留时间分布(RTD: Residence Time Distribution)实验的 CFD 模拟, 以期为 PABR 构型改进、 工况模拟、 风险预测与评估等工作的开展提供节省人力物力的实施方案。 利用 COMSOL 平台对 PABR 内水体 的 SOLID WORKS 三维建模进行网格划分, 进而使用单向流层流模块、 稀物质传递模块及瞬态求解器, 根据 PABR 试验装置实物 RTD 的边界条件进行模拟。 应用 Matlab 对其实物与 CFD 模拟的标准化曲线分别进行归一 化积分求解, 判定其相似程度在可接受范围。 最后利用 COMSOL 后处理技术可视化示踪剂在 PABR 内的流动 和扩散过程, 从而实现人机交互。     

基于深腾7000系统的大规模CFD并行计算

从基本流动控制方程及数值离散、多重网格、并行算法等方面详细阐述了混合网格框架下计算流体力学软件的基本原理,提出了采用三重嵌套循环结构在时间推进格式中实现多重网格加速及并行计算技术的主流程设计方案;同时给出了高精度混合网格并行计算软件在深腾7000系统上的大规模并行测试结果以及在某型民用飞机高升力流场数值模拟中的应用.结果表明:此高精度混合网格并行计算软件在采用千万网格点规模的大型飞机高升力复杂流场计算时,不仅计算结果与实验结果符合较好,且在2 048核并行计算时仍具有很好的并行可扩展性,计算效率不低于80%.     

基于OpenMP和Pardiso的柔性多体系统动力学并行计算

为加快大型、复杂柔性多体系统的动力学仿真的速度,对多体系统动力学的并行算法进行研究。首先分析了微分代数方程(differential algebraic equations,DAEs)在数值计算求解过程中主要的计算量。据此,提出采用OpenMP并行计算系统的刚度矩阵、右端项和采用并行的稀疏线性方程组求解器Pardiso对线性方程组进行求解的并行策略。将这两种并行策略应用到自主开发的柔性多体系统动力学软件THUSolver中,实现了对多体系统动力学的并行计算。通过两个工程算例的仿真得到并行的加速比和计算效率,结果表明:采用的两种并行策略都有很高的计算效率,能大幅提高多体系统动力学仿真的速度。     

基于集群系统的导弹流场并行数值模拟

采用36颗安腾2处理器和Infiniband网络设备构建了一套18节点的高性能计算集群系统,经过性能调优,其Linpack值达到每秒可执行1 886亿次浮点运算(188.6 GFlops)的水平.然后,将集群系统扩展为适用于计算流体力学并行应用的数值模拟平台.建立了约为783万结构化网格的战术导弹三维流场仿真模型,通过网格分区算法将模型移植到集群系统上并行求解,并测试了集群系统的性能.结果表明,构建的CFD数值模拟平台硬、软件资源配置合理,能够适用于中等规模的CFD并行仿真.     

基于OpenFOAM重力式采样器自由下落姿态数值分析

为了提高深水重力式沉积物采样器在海流、缆绳等外力作用下的采样效率,基于Open FOAM程序并通过动态重叠网格方法,模拟静水中采样器在触底前较大范围内自由下落时的姿态。首先构建采样器与流体相互作用三维时域耦合计算模型,并采用Newmark法对结构在流场中的运动方程进行迭代求解;验证网格收敛性,分别对初始倾角为0°和5°的采样器自由下落姿态进行时域模拟,分析下落距离、下落速度以及采样器偏转角之间的相互关系并研究采样器的偏转角对取样效率的影响。研究结果表明:本文构建的结构与流体相互作用的三维时域计算模型可以精确模拟采样器自由下落姿态;采样器的初始偏转角对采样器下落姿态以及取样效率均有较大影响。     

细长轴对称体的水弹性振动特性分析

以在水中做纵向平面内运动的细长轴对称体为研究对象.在建立描述流体-结构耦合振动系统的计算模型时,对固体采用位移（包括刚体运动位移和弹性Euler梁振动位移）,对流体采用压力作为基本变量,首先建立了考虑流体作用力的结构动力学方程,推导了考虑结构运动的流体压力表达式,分析了水动力载荷的特征：包括水动压力的来源、组成、分布形式与影响范围等.在此基础上给出了描述水中运动物体的位移（结构）-压力（流体）格式的流固耦合系统模型.然后利用有限元数值方法（FEM）对方程进行了求解,克服了解析解对研究对象外形的限制,同时避免了流固耦合直接数值模拟中CFD＋FEM的复杂性,对于典型的工程结构非常适用.最后,通过算例给出了水中运动物体的水弹性频率和模态,并将计算结果与试验结果进行了对比,证明了本文计算模型的有效性.     

聚合物压力拖拽流的有限元分析及数值计算

使用基于Navier-Stock方程的牛顿流体模型对压力拖拽流下的低剪切速率聚合物流体进行了数学建模,利用有限元法对计算区域进行网格离散,并采用插值函数得到了流体连续性方程与运动方程的权函数.通过设定网格结点数据、结点坐标及相关边界条件,建立了流变模型的有限元总体方程.其计算结果通过Tecplot软件后处理得到平板间流体流动的速度及压力分布,数值计算结果表明:速度分布在复合条件作用下与在两种边界条件单独作用下完全相等,且压力分布也符合边界条件设定,证明了其求解的正确性;通过更改网格划分及设定方式,此方法亦可用于其他形状规则的牛顿流体二维流变模型有限元分析.