适用于非定常流模拟的分布式并行GMRES方法

为提高计算流体力学方法的收敛性和对高性能并行计算机的适应性,发展了适用于非定常流模拟的GMRES并行全隐式方法,并开展了相应的收敛和并行特性研究。采用变子空间数GMRES方法,减小重启过程计算时间;通过分区并行和Hybrid LU-SGS预处理算子实现方法的分布式并行化;采用鲁棒的Negative-SA湍流模型获得更大CFL数,采取计算和存储雅可比矩阵、网格重排序方法提高计算效率。利用这套方法完成了平面流、NACA0012翼型扰流、翼身组合体扰流、F-16战斗机非定常气动弹性和旋翼前飞流场的数值模拟。结果表明其计算效率较LU-SGS方法提高20%～200%;适用于当代高性能计算机分布式并行结构,并行效率非常高,在240个计算核心上出现了加速比的超线性。     

非结构CFD软件MPI+OpenMP混合并行及超大规模非定常并行计算的应用

常规工程应用中，非定常数值模拟（如多体分离）的计算量十分巨大，如果为了达到更高的计算精度，加密网格或者采用高精度方法将会使得计算量进一步增大，导致非定常数值模拟在CFD工程应用中成为十分耗时和昂贵的工作，因此，提高非定常数值模拟的可扩展性和计算效率十分必要。为充分发挥既有分布内存又有共享内存的多核处理器的性能和效率优势，对作者团队开发的非结构网格二阶精度有限体积CFD软件（HyperFLOW）进行了混合并行改造，在计算节点间采用MPI消息传递机制，在节点内采用OpenMP共享内存的MPI+OpenMP混合并行策略。首先分别实现了两种粒度（粗粒度和细粒度）的混合并行，并基于国产in-house集群采用CRM标模（约4 000万网格单元）定常湍流算例对两种混合并行模式进行了测试和比较。结果表明，粗粒度在进程数和分区数较少的小规模并行时具有效率优势，16线程时效率较高；而细粒度混合并行在大规模并行计算时具有优势，8线程时效率较高。其次，验证了混合并行在非定常计算情况下的可扩展性，采用机翼外挂物投放标模算例，分别生成3.6亿和28.8亿非结构重叠网格，采用对等的（P2P）网格读入模式和优化的重叠网格隐式装配策略，网格读入和重叠网格装配耗时仅需数十秒；采用3.6亿网格，完成了非定常状态效率测试及非定常分离过程的湍流流场计算，在in-house集群上12 288核并行效率达到90%（以768核为基准），在天河2号上12 288核并行效率达到70%（以384核为基准），数值模拟结果与试验结果符合良好。最后，在in-house集群上采用28.8亿非结构重叠网格进行了4.9万核的并行效率测试，结果显示，4.9万核并行效率达到55.3%（以4 096核为基准）。     

行星际激波的多方指数

从Ｈｅｌｉｏｓ等６个飞船１９７２年至１９８７年的太阳风观测资料找出９８６个行星际快激波，利用ＭＨＤ Ｒａｎｋｉｎｅ－Ｈｕｇｏｎｉｏｔ方程组分析了激波上下游参数关系，确定出每一个激波的最佳多方指数。结果指出，多方指数有一分布，其最可几值约在１．７０－１．７５之间。     

广义矩阵法及其在流体力学中的应用

本文提出了由作者发展的、建立在非笛卡儿张量分析基础上的广义矩阵法,并根据选择的任意坐标系和基,在非正交的一般曲线坐标系中,导出三维空间的流体力学的一系列方程。作为示例,在任意的、不均匀螺旋距的螺旋线坐标系中,用广义矩阵法导出了包括粘性耗散函数表达式在内的、完整的可压缩粘性流动方程。还可导出在两种流体的分界面上,带有粘性及表面张力的应力边界条件。用该法导出的方程,文献已证实是正确的。     

非稳态Navier-Stokes方程计算在新型跨音速涡轮设计中的应用

本文论述应用三维、非定常 Navier-Stokes 软件包来预测一种新型跨音速涡轮流道中的非稳态流动问题。对于这种新型设计,早期的二维工作已经表明:非稳态干扰对涡轮的性能有着很重要的影响,这种干扰不仅影响到级效率,而且能显著改变流动的时间平均特性。本工作是已作过的二维计算工作的自然延续,并讨论了一些在二维计算中出现的问题。这些计算工作是作为实际设计过程的组成部分而进行的,同时也证明了非稳态动——静叶交互计算在涡轮机械设计中的价值。计算结果以时间平均的压力和叶型表面的压力幅值形式给出.另外,为了进一步理解流动的粘性和非粘性特性,本文给出了压力和马赫数的瞬时等值线图。文中还给出了有关的二次流特征,例如总压的横向分布图和质量平均参数在翼展方向的分布。     

CFD问题显式有限差分方法的并行化

基于ＭＩＭＤ并行计算机模型，本文讨论了ＣＦＤ问题应用显式有限差分方法的并行化问题。利用区域分解法将计算问题分解为多个子问题，每个子问题由不同的处理器分别处理。针对ＳＣＢ计算格式的特点，尽量降低各处理器间的数据通讯，提高了并行计算效率。最后给出二维Ｅｕｌｅｒ方程组计算实例，计算结果令人满意，且算法有较好的可扩放性。     

贮箱内液体晃动特性及其力学参数的识别问题

本文研究贮箱内液体晃动的动力学特性及其力学参数的识别问题。首先,以平底圆柱形容器为研究对象进行晃动试验,给出了液体小幅晃动力学特性的一些定性观察结果。然后,建立了晃动液体和运动容器耦合振动的力学模型,通过实测容器作自由衰减运动时的位移信号,分别采用Ibrahim法和广义最小二乘修改的偏差校正法识别液体与容器耦合振动的动力学特性,识别结果与理论分析结果是一致的。根据识别结果,可反推出液体一阶晃动等效动力模型的力学参数,从而为确定复杂流固耦合结构的动力学特性及复杂形状贮箱中液体晃动等效动力模型的力学参数探讨了一种新的有效方法。     

CFD方法在联结翼飞机方案设计中的应用

针对计算流体力学(CFD)软件在联结翼气动布局设计中应用的问题，研究如何快速、自动地生成CFD软件所需的输入数据的方法。实现这一方法的要点有：(1)建立一个合理的联结翼飞机外形的参数化几何模型；(2)基于这组参数，开发出能自动地生成CFD软件(MGAERO)所需输入数据文件的程序。计算实例表明，应用本文所提出的方法，可快速地对各种联结翼飞机方案进行气动特性分析，从而大大缩短了飞机方案设计中气动分析的时间。     

低压下V形火焰稳定器后回流区流动特性研究

本文用双通道热线风速仪对低压下V形火焰稳定器后回流区流动特性进行了实验研究,获得了局部平均速度、素流强度、雷诺应力等参数的分布情况。实验表明,与常压比较,低压下回流区范围有所缩小,回流流量相对降低,雷诺应力普遍下降,紊流尺度略有增加,从流体力学方面为分析低压下稳定器的燃烧性能提供了新的依据。     

来流参数对防热瓦横缝旋涡结构及热环境的影响

针对高超声速飞行器表面缝隙内部流动,通过求解可压缩Navier-Stokes方程,自主研发了一套能够较好模拟缝隙流动特性的计算流体力学(CFD)软件。利用该软件研究了来流参数对防热瓦横缝旋涡结构及热环境的影响。计算结果表明:随着来流雷诺数的增加,缝内旋涡结构呈现主涡个数增多形态趋于饱满的变化趋势,缝隙壁面绝对热流和无量纲热流增加;随着来流马赫数的增加,缝内主涡个数、形态基本不变,但主涡旋转速度增加,缝隙壁面绝对热流增加,无量纲热流基本不变;随着来流迎角的增加(迎角较小时),缝内旋涡结构和热流变化规律基本与增加来流雷诺数相同。由此分析可知,涡量向下传递并形成旋涡的距离,即形成所谓"死水区"的深度,主要由来流雷诺数和来流迎角决定。