桥梁断面静风荷载的格子Boltzmann方法数值计算

通过引入反映湍流涡粘性的湍流松弛,得到了模拟高雷诺数湍流的BGK方程.在速度相空间、物理空间和时间上对BGK方程进行离散得到了三维十九速离散速度模型;结合分区计算技术,设计了格子Boltzmann并行算法;根据亚格子Smagorinsky模型,提出了直接从粒子分布函数计算湍流松弛时间的方法.用开发的并行计算程序对分体双箱截面和闭口箱梁截面的静风荷载进行了数值识别,得到的静力三分力系数和流场压力分布与风洞试验结果及CFD宏观方法计算结果吻合,并从表面压力分布入手分析了两种桥梁截面的绕流特点.     

广义守恒相场简化多相流格子Boltzmann方法

针对不可压缩、非混溶的复杂多相流问题，提出一种广义守恒相场简化多相流格子Boltzmann方法。此方法运用早前发展的简化多相流格子Boltzmann方法（simplified multiphase lattice Boltzmann method,SMLBM），通过采用带有拉格朗日算子的广义守恒相场方程来控制界面的演化并确保每个相的体积和总质量守恒。此外，在单松弛格子Boltzmann方法框架内，SMLBM是通过预测-校正策略来模拟流体系统和跟踪界面演化，其计算过程中仅需要考虑平衡态分布函数的演化，并且平衡态分布函数可直接从宏观量计算得到，因而具有良好的稳定性、高计算效率和边界条件易于实施的优点。本方法继承了SMLBM的优势，能够解决由不同流体组分之间的大密度比和大黏度比引起的界面处大压力梯度问题。为了验证本方法的稳定性和准确性，模拟了包括拉普拉斯定律、液滴透镜、三相泊肃叶流以及复合液滴铺展在内的四个多相流算例。结果表明，本方法能有效地模拟密度比达1 200和黏度比达500的复杂界面算例。     

多层速度格子Boltzmann方法进展及展望

格子Boltzmann方法（LBM）自20世纪90年代问世以来,由于计算高效、实施简捷,在多种复杂流动的数值模拟中得到了广泛应用。传统以平衡态分布函数泰勒展开结合半经验理论推导出的LBM模型需要使用低马赫数假设,一度被认为只能适用于等温弱可压流动的计算。近年来将LBM拓展到可压缩和热流计算的模型日益增多,其中在每个离散速度方向有多个速度模态的多层速度模型,因只使用单一分布函数,物理描述上更接近事实而受到了广泛关注。我们简述了几类典型的多层速度模型的构造思路,包括早期的多层速度模型、Watari-Tsutahara模型、比热比可变多层速度模型和Hermite多项式模型。由于Hermite多项式展开法构造的多层速度模型在数学解释上较为自洽,且其低阶形态与传统等温弱可压LBM模型一致,我们着重梳理和归纳了Hermite多项式模型的构造原理与离散速度模型的求解过程,以及时间和空间离散方法。最后对LBM与传统计算流体力学方法的结合进行了简要介绍,例如LBM有限差分、LBM有限体积和LBM有限元方法,并对LBM多层速度模型目前存在的问题和未来发展方向进行了总结。     

有限体积格子Boltzmann方法用于近空间连续流区绕流模拟

针对航天器再入解体形成残骸碎片的近空间绕流计算问题,拓展了格子Boltzmann方法在可压缩流动模拟的能力。引入有限体积隐式格式求解耦合双分布函数格子Boltzmann模型方程及采用圆函数为基础构造的D2Q13离散速度模型;引入IMEX-RK格式进行了时间项离散解决模型方程的源项刚性问题;对Riemann问题、平板双马赫反射问题、RAE2822翼型跨声速绕流等近空间连续流区、可压缩典型案例进行了数值模拟。通过比较分析,初步验证了耦合双分布函数有限体积格子Boltzmann方法对连续流区、可压缩流动的模拟能力;进一步开展了方柱形解体残骸的超声速绕流模拟,得到与N-S方程计算结果吻合一致的绕流结果,证实经改进的耦合双分布函数有限体积格子Boltzmann方法对解体残骸碎片绕流问题具有较好的模拟能力。     

基于四叉树网格下的浸入边界-格子Boltzmann方法

提出了一种基于非均匀四叉树网格下的浸入边界-格子Boltzmann方法.在不同层网格界面上,为了保证物理量的连续性,需要在时空方向上进行插值.由于四叉树同层网格在空间上步长相等、且相邻时间层上时间步长相等,所以在时空方向上采用平均值插值,这样做的优点是时空方向插值既可以达到二阶精度,又可以简化计算过程,节省资源,对任意边界加密下的网格,格子Boltzmann方法的实现比较容易.为了充分利用均匀笛卡尔网格的优势,物面边界的处理采用了速度修正法,与传统浸入边界-格子Boltzmann方法中的直接力法、动量交换法相比,无滑移边界条件得到了较好的保证.同时,把大涡模型加入到浸入边界-格子Boltzmann方法中,实现了在四叉树网格数据结构、边界处理技术、大涡模拟几种模型相结合下,绕障碍物的较大雷诺数流动的模拟.通过不可压缩粘性流中圆柱绕流算例验证,结果与其它方法结果吻合良好.     

基于可压缩格子Boltzmann方法的高可扩展并行算法研究

Lattice Boltzmann Methods(LBM)是近年来发展的求解流体问题的计算新方法,该方法具有编程相对简单,并行计算效率高的特点,但是现有的D2Q9 LBM模型只能计算速度在0.3马赫下的不可压缩流体,提出的新的LBM模型可以处理速度0.7马赫以下的流体问题,并且具有较好的数值稳定性,对计算程序并行性能深入研究的基础上,提出了基于cache的性能优化,经过程序性能测试证明该方法具有较好并行计算效率,并具有很好的可扩展性.     

一种基于STL文件的LBM前处理高效算法

LBM是一种计算流体数值方法,计算过程中需要确定流场格点属于流体点还是固体点,通过前处理获得格点类型信息.其中一种方法是通过STL文件格式描述的物体模型判断格点在物体内外信息来确定格点类型,从而实现STL几何信息到LBM计算模型信息的重构.为了能够快速重构计算模型,本文提出了一种快速生成计算模型算法.该算法根据面三角形找到模型的边界点集,然后由边界点判定出模型内部点和外部点从而完成对模型的重建.算法从面三角形出发,大量减少了计算量,节约了时间,提高了效率.基于本文算法和直接法对不同复杂程度的圆球、NACA0012翼型、CHN-T1飞机标模开展了前处理建模比较,结果表明,随着几何复杂度增加,直接法耗时急剧增加,而本文算法一直保持低耗时(例如CHN-T1模型前处理网格生成,直接法采用120核并行运算耗时11 h,而本文算法采用单核仅耗时20 s),极大地提高了LBM针对复杂几何外形的前处理效率.使用基于本文算法前处理获得的网格开展流场计算,验证了该前处理方法的适用性.     

基于格子Boltzmann方法的方通道湍流的大涡模拟

基于格子Boltzmann方程的大涡模拟方法,对以摩擦速度、方通道水利直径为特征尺度,雷诺数为300的直方通道内湍流流动进行数值计算.利用多松弛时间格子Boltzmann方法来模拟流场的流动,切应力改善亚格子应力模型来模化滤波后的非封闭项.将模化后的亚格子应力与格子Boltzmann方法中的松弛时间相关联,使得松弛时间当地化,从而能够准确地模拟湍流.对湍流的平均流向速度、平均二次流速度以表征湍流强度的均方根速度以及不同截面流向瞬时涡做了计算和评估.计算结果与直接数值模拟、实验数据相吻合,证明了格子Boltzmann方法在计算通道湍流中的精度.      

基于格子玻尔兹曼方法的旋翼三维气动力学分析

提出运用格子波尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）分析微型旋翼 的气动特性。以APC11x47 型螺旋翼为分析对象, 实物的结构信息通过三维激光扫描和 逆向工程的方法输入计算机, 使用基于LBM 的软件计算其不同转速下的螺旋翼产生的 升力,最后得到其升力系数。     

关于格子Boltzmann方法的几个问题(Ⅰ)

格子气方法及后续发展的格子Boltzmann方法,是一种完全不同于传统流场计算的基于介观物理的新方法.由于其内在的优势,尽管该方法问世不过几十年的时间,就在传统计算流体力学难于处理的研究领域得到了广泛的应用,被誉为是现代流体力学的一场变革.文章主要论述了格子Boltzmann方法有关学术思想的源头,论述在该论题发展过程中的一些关键性工作.     

跨流域高超声速绕流Boltzmann模型方程并行算法

通过对Boltzmann方程碰撞积分进行模型化处理,提出了统一描述各流域复杂高超声速流动输运现象的气体分子速度分布函数控制方程,使用离散速度坐标法对分布函数方程所依赖的速度空间离散降维,构造出直接求解分子速度分布函数的气体动理论耦合迭代数值格式,研制了复杂飞行器高超声速绕流气动热力学计算模型。基于对气体动理论数值计算方法内在并行性、变量依赖关系、数据通信与并行可扩展性的分析研究,使用区域分解并行化方法提出了新型的气体动理论数值算法并行方案;研究了数据的并行分布与并行执行特征,开展了大规模的并行化程序设计,构造了可稳定运行于成千上万CPU的高性能并行算法,用以模拟各流域复杂飞行器的高超声速绕流问题。以稀薄流到连续流环境下不同Knudsen数、不同马赫数的可重复使用类球锥卫星体及翼身组合复杂飞行器等气动力、热绕流问题为研究对象展开大规模并行计算,并进行算法验证,所得计算结果与理论分析、直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)的模拟值及有关实验数据吻合较好,揭示了飞行器跨流域高超声速下的复杂流动机理与变化规律,提供了一条能够可靠模拟高超声速飞行器跨流域气动力及热问题的统一的算法应用研究途径。     

颗粒分布对绕流的影响

通过改进的格子Boltzmann方法对二维单颗粒绕流过程进行数值模拟，获得单颗粒分布在不同位置时出流速度的大小。同时，结合遗传算法与模拟退火算法导出遗传模拟退火算法，并将之用于优化颗粒分布，最终获得出流速度最小的单颗粒分布。所给数值算例验证了方法的有效性和可靠性。     

并行原位自适应建表方法在超燃计算中的应用

分别采用直接积分方法(DI)和并行原位自适应建表方法(ISAT)对二维超声速燃烧室进行了计算,并与试验结果进行了比较。从对比结果可以看出,ISAT方法和DI方法计算的压力和组分分布结果基本一致,壁面压力分布与试验结果相吻合,能够满足计算的精度要求。在本文并行计算环境下,和DI方法相比,在化学反应计算速度上,ISAT方法最低提高了3.34倍,最高达到约40倍。     

流场计算程序并行化方法的研究

利用“流场分区”的方法把流场计算程序并行化,并成功地在Transputer并行计算机上运行,并行效率可达到80％。介绍了流场划分、并行编程以及提高并行效率的方法。     

基于Lattice Bohzmann方法的翼型绕流数值模拟

将通过物理平面的结构化C型贴体网格变换到计算平面的均匀正交网格,引入非均匀网格插值方法,采用基于Lattice-Boltzmann方程的D2Q9模型,对低雷诺数下的NACA0012翼型绕流进行了数值模拟,对五个不同位置的边界层速度型与基于有限体积法的CFL3D程序的结果进行了比较.结果表明,两种方法的计算结果一致.改进后的Lattice-Boltzmann方法适用于曲边边界,非均匀网格,同时对计算速度影响不大.Lattice-Boltzmann方法计算较简单,因而用LB方法来模拟翼型绕流是一种新的选择,并可应用于更复杂的低雷诺数流动中.     

流场计算程序自动并行化的帧同步和帧通信策略

针对流场计算中巨大的计算量和存储量要求及并行机使用困难的问题,研究以SPMD模式把结构化网格有限差分算法的串行程序自动并行化后的同步和通信方法。提出了一种有效的帧同步和帧通信策略,在每帧结束时集中进行同步和通信。同时,设计了同步点自动定位算法,它是实现该策略的关键技术。通过分析,证明帧同步和帧通信策略能保证并行流场计算程序的正确性,有效降低同步和通信开销,并便于实现消息传递,从而获得了可观的加速比。     

跨流域三维复杂绕流问题的气体运动论并行计算

通过研究求解描述跨流域三维绕流问题的Boltzmann模型方程气体运动论耦合迭代数值格式,分析气体运动论数值计算方法的内在并行性;从变量依赖关系、数据通信与并行可扩展性三方面开展基于离散速度空间区域分解计算的研究,发展求解稀薄流到连续流跨流域三维复杂绕流问题的并行算法。通过对不同Knudsen数、不同马赫数、不同攻角三维球体及返回舱绕流的并行计算,计算结果与实验数据和理论分析吻合较好。研究表明,该并行算法负载平衡和并行可扩展性较好,对不同并行计算机系统具有很好适应性,显示直接求解分子速度分布函数的气体运动论计算方法有良好的并行计算特性。     

旋转槽道湍流的格子Boltzmann方法模拟

基于多松弛格子Boltzmann方法的大涡模拟对雷诺数为194,旋转数从0~5.0的旋转槽道湍流进行数值模拟.采用动态亚格子应力模型模化滤波后的不封闭项,修正二阶矩作用力模型计算压力梯度、哥氏力.对平均速度、均方根脉动速度、雷诺应力以及湍流结构进行了计算.结果显示哥氏力使流场平均速度呈现不对称性:在压力面,随着旋转数的增加,湍流度增强;而在吸力面湍流脉动减弱,具有层流化的趋势.将格子Boltzmann模型与直接数值模拟求解进行对比,结果验证了格子Boltzmann方法在旋转湍流模拟中的可行性.      

一种DSMC方法的并行策略

为提高直接模拟蒙特卡罗（DSMC）仿真模拟的并行计算效率,基于消息传递接口（MPI）的并行环境,通过对比分析主从模式及对等模式两种程序设计模式下的并行效率,探讨了对等模式下非结构网格DSMC并行程序实现的关键技术及实施途径。提出了一种非结构网格下动态负载平衡DSMC仿真模拟的并行策略,设计了基于对等模式动态负载平衡的DSMC并行算法。最后以钝锥外形的高超声速绕流问题进行仿真模拟,验证本文并行算法的有效性,结果表明,本文设计的基于对等模式动态负载平衡的DSMC并行算法能够以高效的并行效率给出合理的结果。