基于浸润边界-格子波尔兹曼通量求解器的柔性结构流固耦合数值模拟
发布时间：2021-03-04 13:49
浸润边界-格子玻尔兹曼通量求解器（Immersed Boundary-Lattice Boltzmann Flux Solver,IB-LBFS）在处理复杂动态边界流动中具有计算精度高和灵活性强的特点,可应用于柔性体流固耦合数值模拟中。本文对IB-LBFS进行了算法效率上的优化改进,设计和实现了并行计算能力,使之可求解具有较大规模网格的流动问题,且通过旋转球体的绕流计算进行了验证。在此基础上,通过应用基于绝对节点坐标法的柔性结构动力学方法,与IB-LBFS结合,建立了可处理大变形柔性结构的流固耦合问题的数值模拟平台,通过旗帜摆动问题和固支板受流体载荷的弯曲变形问题验证并实现了大变形柔性结构的流固耦合高效仿真。
【文章来源】：空气动力学学报. 2019,37(05)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
图１相邻单元界面上的ＬＢＭ重构（Ｄ２Ｑ９模型）Ｆｉｇ．１ＬＢＭｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｔｃｅｌｌｉｎｔｅｒｆａｃｅ（Ｄ２Ｑ９ｍｏｄｅｌ）
减少Ａ矩阵重构的计算时间。（２）利用Ａ矩阵的稀疏对称性使用一维存储。由于Ｄ为Ｍ×Ｎ的实系数稀疏矩阵，且Ａ可以写成Ｄ·ＤＴ的形式，故由矩阵性质可知Ａ亦为正定矩阵。在Ａ生成过程中可扫描其下三角部分，以一维向量形式存储其下三角非零元素的值及位置信息（图２）。应用一维存储可以极大减小稀疏矩阵的内存占用和相关计算时间。（３）利用矩阵Ａ的对称正定性，使用共轭梯度法对以Ａ为系数矩阵的线性方程组进行迭代求解。对图２一维存储：按行搜索稀疏对称矩阵Ａ的下三角部分Ｆｉｇ．２Ｏｎｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｔｏｒａｇｅ：ｓｅａｒｃｈｔｈｅｌｏｗｅｒｔｒｉａｎｇｌｅｐａｒｔｏｆｔｈｅｃｏａｒｓｅｍａｔｒｉｘＡａｌｏｎｇｅａｃｈｒｏｗ第５期刘钒等：基于浸润边界－格子波尔兹曼通量求解器的柔性结构流固耦合数值模拟７０７
要将背景流场计算的笛卡尔网格块划分为若干子块进行并行计算。对单进程ＩＢ－ＬＢＦＳ程序，其流场Ｅｕｌｅｒ笛卡尔网格由１个块（Ｂｌｏｃｋ）构成，构成物面的Ｌａｇｒａｎｇｅ边界面位于该块的中心部位（图３）。为了减小物面边界和背景网格的插值搜索计算量，该单一块被分为两个区域：位于物体周围的内部区域和位于远场的外部区域。在内部区域，其Ｅｕｌｅｒ网格为均匀网格，在外部区域，Ｅｕｌｅｒ网格分布则由于远场条件逐渐变稀疏。图３欧拉背景网格块分区：单块单进程Ｆｉｇ．３Ｅｕｌｅｒｇｒｉｄｄｏｍａｉｎ：ｓｉｎｇｌｅｂｌｏｃｋｆｏｒｓｅｒｉａｌｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ参考单进程情况下的网格块结构特性，在并行计算中，对背景网格进行了如图４所示的分块处理：原内部均匀区的对应区域被分割为内部子块（Ｉｎｎｅｒｒｅｇｉｏｎｇｒｉｄｂｌｏｃｋｓ），原外部非均匀区域的对应区域被分割为外部子块（Ｏｕｔｅｒｒｅｇｉｏｎｇｒｉｄｂｌｏｃｋｓ）。每个子块对应一个并行进程进行块内部流场方程的求解。在部分内部子块中，需要额外进行浸润边界的搜索插值和物面边界修正速度计算。块与块之间的内部边界需要进行必要的数据传输，邻近外边界的子块的外图４欧拉背景网格块分区：多块多进程Ｆｉｇ．４Ｅｕｌｅｒｇｒｉｄｄｏｍａｉｎ：ｍｕｌｔｉ－ｂｌｏｃｋｆｏｒｐａｒａｌｌｅｌｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ边界面需要给定相应的边界条件。在进行修正速度方程组求解时，由于矩阵Ａ具有全局性质，故每一个相关内部子块进程中均需求解以该矩阵为系数的线性
【参考文献】：
期刊论文
[1]仿生微型飞行器悬停飞行的空气动力学研究[J]. 吴江浩,周超. 空气动力学学报. 2018(01)
[2]低雷诺数下展弦比对仿生拍动翼推进性能的影响研究[J]. 苑宗敬,韩佳坤,陈刚. 空气动力学学报. 2018(01)
[3]Lattice Boltzmann Flux Solver:An Efficient Approach for Numerical Simulation of Fluid Flows[J]. Shu Chang,Wang Y,Yang L M,Wu J. Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics. 2014(01)
本文编号：3063326
【文章来源】：空气动力学学报. 2019,37(05)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
图１相邻单元界面上的ＬＢＭ重构（Ｄ２Ｑ９模型）Ｆｉｇ．１ＬＢＭｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｔｃｅｌｌｉｎｔｅｒｆａｃｅ（Ｄ２Ｑ９ｍｏｄｅｌ）
减少Ａ矩阵重构的计算时间。（２）利用Ａ矩阵的稀疏对称性使用一维存储。由于Ｄ为Ｍ×Ｎ的实系数稀疏矩阵，且Ａ可以写成Ｄ·ＤＴ的形式，故由矩阵性质可知Ａ亦为正定矩阵。在Ａ生成过程中可扫描其下三角部分，以一维向量形式存储其下三角非零元素的值及位置信息（图２）。应用一维存储可以极大减小稀疏矩阵的内存占用和相关计算时间。（３）利用矩阵Ａ的对称正定性，使用共轭梯度法对以Ａ为系数矩阵的线性方程组进行迭代求解。对图２一维存储：按行搜索稀疏对称矩阵Ａ的下三角部分Ｆｉｇ．２Ｏｎｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｔｏｒａｇｅ：ｓｅａｒｃｈｔｈｅｌｏｗｅｒｔｒｉａｎｇｌｅｐａｒｔｏｆｔｈｅｃｏａｒｓｅｍａｔｒｉｘＡａｌｏｎｇｅａｃｈｒｏｗ第５期刘钒等：基于浸润边界－格子波尔兹曼通量求解器的柔性结构流固耦合数值模拟７０７
要将背景流场计算的笛卡尔网格块划分为若干子块进行并行计算。对单进程ＩＢ－ＬＢＦＳ程序，其流场Ｅｕｌｅｒ笛卡尔网格由１个块（Ｂｌｏｃｋ）构成，构成物面的Ｌａｇｒａｎｇｅ边界面位于该块的中心部位（图３）。为了减小物面边界和背景网格的插值搜索计算量，该单一块被分为两个区域：位于物体周围的内部区域和位于远场的外部区域。在内部区域，其Ｅｕｌｅｒ网格为均匀网格，在外部区域，Ｅｕｌｅｒ网格分布则由于远场条件逐渐变稀疏。图３欧拉背景网格块分区：单块单进程Ｆｉｇ．３Ｅｕｌｅｒｇｒｉｄｄｏｍａｉｎ：ｓｉｎｇｌｅｂｌｏｃｋｆｏｒｓｅｒｉａｌｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ参考单进程情况下的网格块结构特性，在并行计算中，对背景网格进行了如图４所示的分块处理：原内部均匀区的对应区域被分割为内部子块（Ｉｎｎｅｒｒｅｇｉｏｎｇｒｉｄｂｌｏｃｋｓ），原外部非均匀区域的对应区域被分割为外部子块（Ｏｕｔｅｒｒｅｇｉｏｎｇｒｉｄｂｌｏｃｋｓ）。每个子块对应一个并行进程进行块内部流场方程的求解。在部分内部子块中，需要额外进行浸润边界的搜索插值和物面边界修正速度计算。块与块之间的内部边界需要进行必要的数据传输，邻近外边界的子块的外图４欧拉背景网格块分区：多块多进程Ｆｉｇ．４Ｅｕｌｅｒｇｒｉｄｄｏｍａｉｎ：ｍｕｌｔｉ－ｂｌｏｃｋｆｏｒｐａｒａｌｌｅｌｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ边界面需要给定相应的边界条件。在进行修正速度方程组求解时，由于矩阵Ａ具有全局性质，故每一个相关内部子块进程中均需求解以该矩阵为系数的线性
【参考文献】：
期刊论文
[1]仿生微型飞行器悬停飞行的空气动力学研究[J]. 吴江浩,周超. 空气动力学学报. 2018(01)
[2]低雷诺数下展弦比对仿生拍动翼推进性能的影响研究[J]. 苑宗敬,韩佳坤,陈刚. 空气动力学学报. 2018(01)
[3]Lattice Boltzmann Flux Solver:An Efficient Approach for Numerical Simulation of Fluid Flows[J]. Shu Chang,Wang Y,Yang L M,Wu J. Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics. 2014(01)
本文编号：3063326
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