非结构动网格分区并行计算方法

发布时间：2020-02-07 22:15

【摘要】：针对包含运动边界的非定常流动问题,基于弹簧近似法设计了一套非结构动网格分区并行计算流程,引入了METIS软件进行非结构网格二次剖分,研究了对接边界通信类型及其处理方法,基于消息传递并行编程模式实现了非结构动网格求解器的并行化。测试结果表明:该求解器具有较高的并行效率,网格变形模块对非结构动网格并行计算性能具有重要影响。
【图文】：

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j=1Kij(4)2并行方法2．1并行计算流程CFD并行计算普遍采用区域分解的数据并行策略，即将流场数据划分成与并行任务数相匹配的多个网格区域，每个并发任务映射到CPU核上的一个计算进程，每个进程负责其中一个网格区域的流场模拟［11］。采取基于标准非阻塞信息传递接口(MessagePassingInterface，MPI)通信模式的分布式存储并行实现［12］，让不同的网格区域在多个进程上同时进行时间步的迭代求解计算，通过进程间的消息传递，对不同网格区域之间的边界数据进行交换。非结构动网格分区并行计算流程如图1所示。各进程分别读取各自网格文件进行初始化，整个迭代求解过程均为数据并行区———各进程分别进行网格变形、求解流尝更新网格数据、计算残差，但在7处需要进行MPI通信，它们分别是:计算时间步长、更新弹簧劲度系数和节点受力、计算内点及对接边界点新坐标、更新边界虚拟单元图1非结构动网格分区并行计算流程Fig．1Processofdomain-decomposedparallelcomputationforunstructureddynamicmesh位置、更新边界虚拟单元物理量、更新对接边界虚拟单元内的物理量梯度和计算残差。2．2网格二次剖分方法非结构网格的负载平衡当前使用较多的是基于图的多层划分方法，其中软件METIS发展较为成熟，已经广泛应用于CFX、FLUENT等CFD计算软件的预处理过程中［13］。使用该软件进行负载平衡和任务划分。为了满足对接边界物理量和网格节点坐标通信的需要，在网格剖分完成以后，需要建立对接边界单元、边界面、边界节点的对应关系，并进行局部网格重排序。2．3对接边界处理方法1)对接边界节点求和。按照迭代式(4)，网格点所受合力保持不变，网格节点新坐标xi是其周·82·

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国防科技大学学报第39卷图2层流平板边界层流向速度剖面Fig．2Flow-directionvelocityprofileofflat-platelaminarboundarylayer表3层流平板边界层并行模拟性能Tab．3Parallelperformanceofflat-platelaminarboundarylayer并行分区数1248时间迭代加速比1．001．963．887．71求解流场加速比1．001．973．937．76MPI通信时间比0．00%0．04%0．13%0．25%并行效率100%97．84%96．97%96．40%来流马赫数Ma∞=0.755，雷诺数Ｒe∞=2.0×106。首先模拟了位于平均攻角时的定常绕流，残差收敛达到10个量级以上，计算所得压力分布如图3所示，0．25倍根弦位置的激波清晰。表4NACA0012翼型初始网格Tab．4InitialmeshofNACA0012网格分区示意图分区数1248平均单元数3．00×1041．50×1040．75×1040．38×104最大单元数3．00×1041．50×1040．76×1040．38×104最小单元数3．00×1041．49×1040．74×1040．37×104图3NACA0012翼型定常压力分布(8区)Fig．3PressuredistributionofNACA0012steadyflow(8domains)在定常流场基础上进行了非定常计算，所得升力系数如图4所示，结果与Batina［15］的计算结果吻合较好，与实验结果稍有差异，这与刘君［10］、杨小亮［16］等的模拟结果一致。同时，从网格变形上来看，在俯仰振荡过程中，分区并行没有出现网格重叠和缝隙，，网格变形与串行基本相同，具有较好的适应能力。图4NACA0012翼型俯仰振荡的升力系数Fig．4LiftcoefficientofNACA0012oscillatoryNACA0012翼型俯仰振荡并行模拟性能如表5所示，求解流场的加速比未受网格运动影响，并行·84·

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