气体扩散CFD建模敏感性分析

 提出气体扩散计算流体力学建模敏感性分析的概念,即从众多影响模拟结果的不确定性因素中找出对建模有重要影响的方面,并监测、分析其对模拟结果的影响程度,进而选定最佳建模参数的一种不确定性分析方法。建议敏感性分析顺序应为网格依赖、边界条件、湍流模型及求解控制参数分析。重点对网格依赖和湍流模型敏感性分析的原理和方法进行了论证,并结合某高含硫集气站气体泄漏扩散建模进行了算例研究。研究结果表明,网格依赖分析可在模型预测精度和计算成本间获取平衡点;通过将各湍流模型预测结果与经验公式模型对比,可选取最适合的湍流描述方法。敏感性分析对构建合适的计算模型,提高计算精度,降低计算成本具有重要意义,是气体泄漏扩散建模中不可或缺的重要环节。     

斜齿轮精确接触分析有限元建模方法

针对影响齿轮有限元接触分析应力计算精度的关键因素：有限元模型网格质量、接触带网格密度和齿面节点几何精度,提出一种高效的斜齿轮三维有限元精确齿面控制建模方法.优化算法求解接触线方程,规划斜齿轮节点模型潜在接触带节点分布,局部细化接触带单元,映射轮齿表层节点到设计齿面上,实现齿面精确几何建模.数值实验表明整体采用六面体单元映射网格划分结合接触带局部单元细化建模方法,能够有效地解决斜齿轮有限元接触分析计算精度与计算效率之间的矛盾.     

万核级并行飞机气动模拟软件CCFD研制

提出了面向大型飞机设计的气动模拟软件CCFD的架构和实现方法.对于复杂流场建模和高分辨率湍流数值模拟,CCFD采用对比分析各种计算模型和提高计算网格分辨率的方法来得到高精度的模拟结果和更精细的流场模型.CCFD在并行编程模型、负载平衡、通信重叠等多个方面针对万核级的大规模并行计算进行了改进.同时,CCFD实现了批处理作业、双模式控制参数设置、计算过程监控等功能的用户友好操作界面.通过在"天河一号"上进行的测试可以看出,随着并行规模从128核增加到近万核(8 192核),作业的运行时间稳定降低,加速比稳定增加.     

基于Pi-演算的集成P2P模式的网格形式化建模

为了改进传统网格的可扩展性和动态性,提出了一种集成P2P模式的网格资源管理模型,该模型融合了网格计算和对等计算的优点.基于该模型,文中分析了一种集成P2P模式的网格体系结构,并利用Pi-演算可用于对并发和动态变化的系统进行建模的特性,对该体系结构进行描述和建模,分析了有关性能,验证了模型的有效性.结果表明,基于Pi-演算的集成P2P模式的网格形式化系统能够有效地满足网格节点的服务需求.     

三维计算模型的网格划分及可视化平台的开发

以计算导体模型表面电流及磁场分布为例,对三维计算模型的网格划分原理、系数的确定方法以及均匀和非均匀网格的划分方法进行探讨,开发了完整的三维模型的网格划分及可视化平台.实验采用工业生产中真实的汽车和飞机模型,结果表明该平台能够对复杂几何模型进行网格划分及三维无闪烁显示.该平台的实现对于开发更为完备的三维建模软件提供良好的基础.     

基于非均匀网格的岩石破坏过程分析系统

提出了一个新型的能够分析岩石局部破坏过程的非耦合方法,即在岩石破裂过程分析系统(RFPA)中引入非均匀网格,利用其他商业数值模拟软件的优秀前处理功能进行建模,把建好的模型信息导入到RFPA中进行计算和后处理.为了验证程序的可靠性,同原RFPA均匀网格做一个简单误差对比.最后给出一些计算实例.结果表明,此方法不仅突破了原来RFPA的网格和模型的限制,而且操作简便,是值得岩土工程应用和推广的新型数值模拟方法.     

复杂建筑结构环境下冲击波超压的快速估算方法

为解决复杂建筑结构环境下,冲击波模拟成本与计算精度之间的矛盾,提出利用低成本建模提取超压,再通过修正获得高精度超压的快速估算方法.首先,通过建模分析入射超压的模拟误差,给出精细网格密度下限值λ_lim;然后,进一步大量建模,对超出λ_lim限值的粗网格模拟超压进行修正,并拟合出超压修正系数公式;最后,利用修正系数进行超压估算与验证.研究结果表明:超压模拟误差随着网格密度的增大而减小;利用低成本粗网格建模模拟并加以修正后获得的估算超压值与理论值、试验实测值的误差较小;粗网格模型估算超压值的计算精度与高成本精细网格模型相当.     

一种无样机的航空发动机转子有限元建模方法

为解决无样机时大型复杂结构的有限元建模准确性问题,对有限元建模、模型修正和确定方法进行研究。首先以模拟转子为研究对象,由模拟转子的几何模型建立了5种不同网格密度的实体模型。模型1至模型5网格密度不断增大,通过计算各模型与最细化网格模型5的模态频率差异确定一个参考模型,模型1相对于模型5频率差异小于0.6%,可作为参考模型。但是参考模型的网格尺寸较大,不能作为整机模型中的部件模型,由此需要建立转子的简化模型。由于参考模型与试验模型的频率误差在3%以内,故可以利用参考模型对简化模型进行模型修正。最后进行了试验模型和修正后的简化模型的相关分析和频响函数对比,二者频率差异在2%以内,模态置信度(MAC)匹配值高于81%,由此验证了通过参考模型修正后的简化模型的正确性和有效性。使用本方法进行无实物样机的真实航空发动机的有限元建模,能提高计算精度和减小计算量,缩短研发周期。     

Stokes问题形状优化中自适应水平集方法的应用

提出了一种基于水平集的自适应网格方法,并将其应用于求解由Stokes方程控制的不可压缩流体阻力最小问题。推导出了目标泛函的形状灵敏度分析。在优化过程中,采用在整个计算区域上定义的用于演化水平集函数的均匀粗网格和细网格。均匀的细网格是以水平集函数作为细化指标,由含界面的粗网格进一步划分得到,从而使得计算主要集中在界面附近。因此,与为实现相同数值精度把整个计算区域均匀细分的网格相比,该方法计算成本大大降低,特别是边界上的形状导数值可以隐式求得,这在经典的形状优化设计问题中是一项非常困难的任务。     

基于水平集法的三维非均质岩石建模及水力压裂特性

采用水平集法(LSM)描述非均质岩石的静态材料边界特性,探讨分层特性、含有随机分布包裹体特性和具有Weibull分布特性的三种非均质岩石材料有限元建模方法,并与基于完全流-固耦合弹塑性理论的弥散裂缝模型相结合进行水力压裂过程的模拟. 在水力压裂模型中通过Corey关系和相对渗透率计算压裂液与原有液体混合的特性. 最后进行符合Weibull分布的非均质岩石材料的水力压裂传播特性的计算,给出了等效开裂区域的发展过程、注水点处水压力与注水时间变化曲线和有效应力路径. 模拟结果表明,采用水平集法能够有效地描述岩石材料的非均质特性,同时该法能够与弥散裂缝模型很好地结合,实现三维非均质岩石的建模与水力压裂过程的模拟.     

基于能量方程的柏叶口水库三维流场的模拟研究

采用基于能量方程的条带分析方法,对矩形河槽流速进行了模拟,在对模拟结果进行验证之后,将模型应用在拟建柏叶口水库三维流场研究中.通过适体坐标变换生成水库曲线型计算网格,将生成的曲线型网格细化、分层、分条带,最后用基于能量的方程进行一维、二维和三维的流场计算.整个模拟过程易于编程实现,并可通过设置网格的疏密程度,有效控制流...     

自适应网格在水平集方法中的优化与应用

在水平集方法对运动界面进行追踪的过程中,利用自适应笛卡尔网格可以在水平集演化的关键区域对网格进行自动细化.水平集方程每个时间步求解后,细化区域和粗化区域的选择是决定迭代求解效率的一个重要因素,由于不同细化级别边界处的节点部分缺少同级别的邻接点,加大了求解水平集演化方程中偏微分近似解的复杂度.提出一种优化后的笛卡尔自适应...     

网格结点中任务包批处理的性能分析

本文首先阐述了网格结点与计算单元之间的关系,然后对任务包到达网格结点后,被调度到计算单元的过程进行数学建模,并利用该数学模型对调度过程进行性能分析,得出系统中任务包的平均滞留量与批处理的规模成正比.该结果对提高网格中计算资源的利用率和服务性能有着重要意义.     

分子筛脱蜡模拟移动床工业过程的模拟计算与分析

针对分子筛脱蜡工业生产的模拟移动床过程,基于TMB建模策略,建立了描述模拟移动床过程的数学模型,模型求解采用有限元配置的数值计算方法PDECOL软件包.结果表明：在验证模型计算正确性的基础上,模型模拟计算值与过程设计值相一致,可以用描述分子筛脱蜡工业生产的模拟移动床过程.探讨了模拟移动床过程中的进料流速、提取液的提取速度、旋转阀的切换周期以及脱附液的用量等操作参数对过程性能的影响,为过程的优化提供了基础.     

Lattice-Boltzmann方腔模型的CUDA加速实现

对Lattice Boltzmann方法(LBM)在CUDA下的建模和算法进行了研究,使得该方法在GPU下的计算速度得到提升,大大缩短了计算过程的时间消耗。利用非平衡外推边界条件处理,以LBM方法模拟了D2Q9模型的方腔顶盖驱动流动,采用全局内存和纹理内存存储数据,将模型中9个分布函数存储为二维网格,每个网格分配一个线程,每个线程块包括256个线程,多条线程并行计算。在普通个人计算机上,采用NVIDIA GeForce 9600 GT显卡和CUDA,实现了LBM模拟方腔流动,将计算速度提高到CPU的50倍。     

网格工作流资源层次模型与访问机制

针对网格协同计算的新需求,网格工作流建模既要考虑过程建模,也要考虑资源和服务建模.提出了面向服务的网格层次资源模型:物理资源、服务资源和虚资源,并在此基础上给出了网格应用执行过程中的资源访问机制,使实现过程模型中网格工作流和网格资源的分离并动态映射,增强了网格工作流执行的灵活性和动态适应性,同时也便于对跨地域的网格资源进行管理,提高网格服务的可重用性.     

蒙特卡罗中子输运计算中弥散型颗粒燃料的子网格随机模型研究

弥散型颗粒燃料在燃料元件中的随机分布特性给传统的堆芯物理计算方法带来巨大困难与挑战.主要针对蒙特卡罗中子输运计算,开展基于子网格模型的颗粒燃料随机模型建模方法研究,探讨了网格尺寸大小对随机模型建模效率和堆芯物理计算精度的影响,给出了最佳网格尺寸参数.数值结果表明,基于最佳网格尺寸参数的子网格模型可较好地满足弥散型颗粒燃料的堆芯物理计算需求.     

复杂外形潜水器旋转水动力的计算

复杂外形的潜水器动力学模型是高度非线性且耦合的,很难精确建立.为提高潜水器艏向控制性能,通过计算流体力学(CFD)方法来计算复杂外形无人遥控潜水器(ROV)在回转过程中所受的阻尼力/力矩,以获取回转运动的水动力系数,从而提高回转动力学建模精度.从如下两个方面对现有方法进行了改进:(1)采用重叠网格方法替代动网格方法,解决网格运动过程中质量下降的问题,避免了网格单元出现负体积;(2)结合移动参考坐标系和重叠网格两种方法求解ROV的旋转水动力,可加快收敛速度,提高重叠网格非稳态计算的可信度.采用由CFD计算得到的水动力系数构建ROV的动力学模型并基于该模型进行回转控制数值模拟,计算结果与ROV在水池中的回转控制实验结果吻合较好,从而间接验证了所提方法的有效性.     

面向油藏数值模拟的三维网格模型生成方法

Pillar Grid在模拟复杂断层上有局限性,且它的非正交性会影响数值模拟,同时,非结构化网格的应用还不成熟,为了解决这些问题,提出一种六面体网格模型生成方法.该网格在XY平面上规则,不连续面使用阶梯状表达.首先,进行构造建模,包括断层建模和地层建模;其次,提取构造模型的拓扑信息和几何要素,基于G-maps结构建立宏观拓扑模型;最后,通过一种将地质界面离散化为多个切平面的方法进行网格剖分.实例证明该方法正确有效,能生成符合要求的网格模型.     

动力系统流场计算动态网格生成模型研究

运用网格分块生成与整体集成方法,提出了复杂动力机械系统内流场三维流动计算网格自动生成模型,并以K100摩托车发动机扫描气系统为对象,实现了换气过程瞬态数值模拟动态网格的自动生成,数值计算结果,该方法可用于复杂机械系统内流场三维瞬态流动的数值计算。