基于TensorFlow向量化的浸入边界法在流固耦合问题中的应用
发布时间：2021-08-13 21:07
流固耦合问题（fluid-solidinteraction,FSI）广泛存在于海岸工程领域,如桥墩冲刷、物体入水以及海上浮式平台等。随着计算机性能的逐步提升和计算流体力学（computational fluiddynamics,CFD）的不断发展,数值模拟已经成为研究流固耦合问题的重要方式,尽管如此,高效且精确模拟复杂运动边界下的流动现象仍是一个不小的挑战。基于笛卡尔网格系统的浸入边界法（immersed boundary method,IBM）无需贴合边界,网格生成简单,相较于贴体网格有着更高的效率,近些年来已经成为研究此类现象的主要方法。本文以不可压缩Navier-Stocks方程作为流体的控制方程,使用CIP-ZJU（Constrained Interpolation Profile method in Zhejiang University）模型进行离散求解,采用基于虚拟单元（ghostcell）的浸入边界法处理流固耦合问题,并提出一种“六点插值法”进行改进确保边界处的二阶精度。为了提升模型的计算效率,本文采用TensorFlow作为向量计算工具,使用卷积算子提取流场局部信息,...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１流固耦合问题计算网格??
对网格进行局部加密以获得更准确的边界条件，这些科学任务对于计算机的能力提出了??更高的要求。??如图１．２所示，半个世纪以来，处理器中集成电路的数量按照摩尔定律维持着每隔??１８个月翻一番的速度，但是依然不能满足当前计算密集型的ＣＦＤ应用对于计算性能的要??求。摩尔定律在未来并不能继续适用，减小晶体管的尺寸可以增加集成电路的密度并提升??速度，但是随之而来的是更大的功耗，目前使用空冷系统的集成电路散热能力已趋于极??限［１９］，另一方面晶体管的制造工艺也存在瓶颈，英特尔公司自２０１４年的Ｂｒｏａｄｗｅｌｌ架构??使用１４ｎｍ工艺以来至今再没有进行升级，图１．２中可以看出近年来ＣＰＵ主频的提升逐??渐放缓，依靠处理器性能增加获得更高的计算效率已经非常困难。因此依靠多核架构的并??行计算成为了提高计算机运算效率的重要途径。近年来，高性能并行计算在计算流体力学??领域的应用越来越多【２０￣２７］
用于大规模机器学习任务，凭借优秀的跨平台能力、完善的社区支持、高效的实现方式和??完整的解决方法，目前已成为深度学习领域最为流行的计算框架。ＴｅｎｓｏｒＦｌｏｗ通过计算图??（ｃｏｍｐｕｔｅ?ｇｒａｐｈ）来执行计算流程，图１．３是计算图的一个示例，其中每一个节点（ｎｏｄｅ）??表示一个操作（ｏｐｅｒａｔｉｏｎ），每个操作可以有零或多个输入输出，图中的边（ｅｄｇｅ）表示数??据流动的方向，在ＴｅｎｓｏｒＦｌｏｗ中数据都以张量（ｔｅｎｓｏｒ）形式存储，张量可以是任意维度??的数组，当张量沿着计算图流动完成后，整个计算的过程也随之完成，这也是ＴｅｎｓｏｒＦｌｏｗ??名字的由来。用户在客户端上通过会话接口与系统进行交互，将定义好的计算图重复执行??多次以提高计算效率。??ｉ?ｉ??Ｃ＾ｅＬＵｊ??［Ａｄｄ?）??［Ｍａｔｉｌｕｌ］??图１．３?ＴｅｎｓｏｒＦｌｏｗ计算图示例??截止到目前为止，ＴｅｎｓｏｒＦｌｏｗ?支持?ＭａｃＯＳ、Ｌｉｎｕｘ、Ｗｉｎｄｏｗｓ、Ａｎｄｒｏｉｄ?和?ｉＯＳ?操作??系统，并可以在ＣＰＵ、ＧＰＵ、ＴＰＵ、ＦＰＧＡ等硬件架构上实现大规模的本地、分布式并行??６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Numerical simulation of viscous flow past an oscillating square cylinder using a CIP-based model[J]. 付英男,赵西增,曹飞凤,张大可,程都,李莉. Journal of Hydrodynamics. 2017(01)
[2]一种自由面大变形流动的CFD模型[J]. 赵西增. 浙江大学学报(工学版). 2013(08)
[3]Quasi-real-time simulation of rotating drum using discrete element method with parallel GPU computing[J]. Ji Xu~a,b, Huabiao Qi~a,b, Xiaojian Fang~a,b, Liqiang Lu~a,b, Wei Ge~a, Xiaowei Wanga, Ming Xua, Feiguo Chena, Xianfeng Hea, Jinghai Lia a State Key Laboratory of Multiphase Complex Systems, Institute of Process Engineering (IPE), Chinese Academy of Sciences, P.O. Box 353, Beijing 100190, China b Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China. Particuology. 2011(04)
[4]三维动态非结构重叠网格Navier-Stokes方程并行算法[J]. 夏健,田书玲,王江峰,伍贻兆. 航空学报. 2008(05)
博士论文
[1]基于浸入边界法的复杂流动多尺度模拟[D]. 狄升斌.中国科学院研究生院(过程工程研究所) 2015
硕士论文
[1]强非线性自由面运动的CFD模型研究[D]. 叶洲腾.浙江大学 2016
本文编号：3341138
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１流固耦合问题计算网格??
对网格进行局部加密以获得更准确的边界条件，这些科学任务对于计算机的能力提出了??更高的要求。??如图１．２所示，半个世纪以来，处理器中集成电路的数量按照摩尔定律维持着每隔??１８个月翻一番的速度，但是依然不能满足当前计算密集型的ＣＦＤ应用对于计算性能的要??求。摩尔定律在未来并不能继续适用，减小晶体管的尺寸可以增加集成电路的密度并提升??速度，但是随之而来的是更大的功耗，目前使用空冷系统的集成电路散热能力已趋于极??限［１９］，另一方面晶体管的制造工艺也存在瓶颈，英特尔公司自２０１４年的Ｂｒｏａｄｗｅｌｌ架构??使用１４ｎｍ工艺以来至今再没有进行升级，图１．２中可以看出近年来ＣＰＵ主频的提升逐??渐放缓，依靠处理器性能增加获得更高的计算效率已经非常困难。因此依靠多核架构的并??行计算成为了提高计算机运算效率的重要途径。近年来，高性能并行计算在计算流体力学??领域的应用越来越多【２０￣２７］
用于大规模机器学习任务，凭借优秀的跨平台能力、完善的社区支持、高效的实现方式和??完整的解决方法，目前已成为深度学习领域最为流行的计算框架。ＴｅｎｓｏｒＦｌｏｗ通过计算图??（ｃｏｍｐｕｔｅ?ｇｒａｐｈ）来执行计算流程，图１．３是计算图的一个示例，其中每一个节点（ｎｏｄｅ）??表示一个操作（ｏｐｅｒａｔｉｏｎ），每个操作可以有零或多个输入输出，图中的边（ｅｄｇｅ）表示数??据流动的方向，在ＴｅｎｓｏｒＦｌｏｗ中数据都以张量（ｔｅｎｓｏｒ）形式存储，张量可以是任意维度??的数组，当张量沿着计算图流动完成后，整个计算的过程也随之完成，这也是ＴｅｎｓｏｒＦｌｏｗ??名字的由来。用户在客户端上通过会话接口与系统进行交互，将定义好的计算图重复执行??多次以提高计算效率。??ｉ?ｉ??Ｃ＾ｅＬＵｊ??［Ａｄｄ?）??［Ｍａｔｉｌｕｌ］??图１．３?ＴｅｎｓｏｒＦｌｏｗ计算图示例??截止到目前为止，ＴｅｎｓｏｒＦｌｏｗ?支持?ＭａｃＯＳ、Ｌｉｎｕｘ、Ｗｉｎｄｏｗｓ、Ａｎｄｒｏｉｄ?和?ｉＯＳ?操作??系统，并可以在ＣＰＵ、ＧＰＵ、ＴＰＵ、ＦＰＧＡ等硬件架构上实现大规模的本地、分布式并行??６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Numerical simulation of viscous flow past an oscillating square cylinder using a CIP-based model[J]. 付英男,赵西增,曹飞凤,张大可,程都,李莉. Journal of Hydrodynamics. 2017(01)
[2]一种自由面大变形流动的CFD模型[J]. 赵西增. 浙江大学学报(工学版). 2013(08)
[3]Quasi-real-time simulation of rotating drum using discrete element method with parallel GPU computing[J]. Ji Xu~a,b, Huabiao Qi~a,b, Xiaojian Fang~a,b, Liqiang Lu~a,b, Wei Ge~a, Xiaowei Wanga, Ming Xua, Feiguo Chena, Xianfeng Hea, Jinghai Lia a State Key Laboratory of Multiphase Complex Systems, Institute of Process Engineering (IPE), Chinese Academy of Sciences, P.O. Box 353, Beijing 100190, China b Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China. Particuology. 2011(04)
[4]三维动态非结构重叠网格Navier-Stokes方程并行算法[J]. 夏健,田书玲,王江峰,伍贻兆. 航空学报. 2008(05)
博士论文
[1]基于浸入边界法的复杂流动多尺度模拟[D]. 狄升斌.中国科学院研究生院(过程工程研究所) 2015
硕士论文
[1]强非线性自由面运动的CFD模型研究[D]. 叶洲腾.浙江大学 2016
本文编号：3341138
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/haiyang/3341138.html
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