面向并行计算流体动力学模拟的非结构动网格生成的若干问题研究

发布时间：2017-11-14 15:29

  本文关键词：面向并行计算流体动力学模拟的非结构动网格生成的若干问题研究

  更多相关文章： 计算流体力学 动边界 网格生成 非结构网格 并行计算 多体分离

【摘要】：诸如外挂物分离、级间分离、子母弹抛撒、机翼颤振等动边界问题在航空航天领域十分常见,其数值模拟是计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)研究的难点之一。特别地,在高保真CFD需求的持续推动下,CFD模拟所涉及的几何模型以及物理模型的复杂度不断提高,计算问题的规模也随之急速增大,并行计算已成为解决大规模CFD计算性能瓶颈问题的主要途径。已有的并行CFD数值模拟系统通常采用“串行网格生成+并行求解”的“准并行”计算流程,即CFD模拟部分已实现高效并行,但相关网格处理部分还采用串行方法。显然,当问题涉及数千万乃至上亿自由度,CFD计算已在成百上千个(乃至更多)计算核上实现高效并行时,串行网格处理以及串行网格处理与并行求解之间的数据交换等环节会成为阻碍整个计算高效进行的主要性能瓶颈。本文针对多体分离等飞行器设计中常见的动边界数值模拟问题,以研制自主知识产权的全过程并行(“并行网格生成+并行求解”)动边界数值模拟软件系统为应用目标,在相关CFD方法、网格自动处理技术、并行CFD软件框架的建立和集成等方面开展了系统性的研究工作,主要研究内容及其创新如下：(1)基于任意拉格朗日／欧拉(Arbitrary Lagrange-Euler, ALE)有限体积方法描述的控制方程,发展了一类基于非结构动网格技术的带动边界流场计算方法,继而结合非结构网格的变形与重构技术,以及六自由度刚体运动方程求解技术,实现了一套利用非结构网格的带动边界流场数值模拟软件,采用标准模型和工程算例开展了软件的正确性验证工作。(2)提出了一种新的四面体网格局部重连技术——壳变换,发展了一类基于壳变换的边界恢复算法,显著提高了复杂表面网格输入情形下Delaunay网格生成算法的可靠性,同时利用壳变换增强了己有网格优化算法的优化效果。上述研究工作作为一个整体,支撑了一套高质量的非结构网格生成程序的实现,并成功应用于动边界CFD求解的初始网格生成与网格重构环节。(3)采用区域分解方法,基于消息传递界面(Message Passing Interface, MPI)并行程序设计标准实现了非定常流场的大规模并行计算；研究并行CFD求解的预处理技术,并有效集成并行非结构网格生成与并行CFD求解等程序模块,实现了初始流场的全过程并行数值模拟；继而发展了一类基于区域分解技术的并行网格局部重构算法,实现了带动边界流场的全过程并行数值模拟。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V211

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本文编号：1185980