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）。     

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。     

基于流体网络法的喷管冷却气流量分配计算方法

流体网络法对喷管气膜冷却问题具有独特的优势,但难以反映出入流对冷却气流道静压变化的影响。针对此引入了可反映出入流导致静压变化的管道元件,并基于孔口速度落后角对静压变化量进行了建模。验证算例表明,这一改进使沿程静压变化趋势与实际吻合较好,使冷却气流量分配计算误差降低到0.5%以下。将改进后的流体网络法与主流通道的计算流体力学模拟耦合用于分析喷管冷却气流量分配,与全计算流体力学模拟相比结果差异小于1.2%,且大幅降低计算量;在某型喷管设计中的应用表明,可以有效反映冷却结构改变对冷却气流量分配的影响。      

网格阵列填充冷却通道内超临界正癸烷流动传热特性的数值研究

采用碳氢燃料冷却壁面是超燃冲压发动机常用主动冷却方式。为减轻主动冷却通道结构重量、提高冷却效率,本文探讨了以网格结构为填充的新型通道,从结构轻质化、流动特性及综合传热能力等方面与常规矩形主动冷却通道进行了比较。结果表明,在相同工况下,由错排网格填充的冷却通道结构综合性能最佳,其减重效果达39.93%,壁面温度显著下降,且努塞尔数最高达到光通道的2.156倍。从流动传热机理分析可看出,网格前缘冲击效应形成的马蹄涡和后缘附近发卡涡结构对强化传热贡献最大,扰动边界层和激发湍动能也是强化传热的重要因素。     

CFD技术发展及其在航空领域中的应用进展

综述了计算流体力学(CFD)技术的近期发展情况,及其在航空领域的应用现状.在CFD技术发展方面,从计算格式、网格方法、湍流模拟3个方面进行了综述,并对未来CFD技术的发展方向进行了展望.在CFD技术的应用方面,重点介绍了飞行器外形优化、旋翼/直升机、非定常绕流、多体分离和进气道等重点应用领域的现状.     

欧洲计算流体力学——个人观点

介绍了70年代初到20世纪末欧洲科学家对CFD发展的主要贡献,并重点关注了对国际流体力学数值方法会议(ICNMFD)和国际计算力学学术会议(ISCFD)的成功举办具有重大贡献的科学家.ICNMFD始于1969年(新西伯利亚),由参与了美国和苏联太空竞赛的两国科学家联合创办,而ISCFD则作为ICNMFD在亚太地区的同类会议初创于1995年(东京).由Oshima教授和本人提议,得益于上述两个会议全体科学委员会成员的共同努力,ICNMFD和ISCFD自2000年开始,合并成为每两年举办一次的国际计算流体力学会议(ICCFD).绝大部分本文讨论所涉及的学者通常都在受邀进行大会报告后,成为了前述三大国际会议中的一个或多个科学委员会的成员.作者对文中讨论所涉及的研究人员的圈定负有全权责任,上述人员的选择更多地基于应用而非理论计算流体力学,因此尚存在不完善之处.此外由于文中所讨论的学者大都是作者在40多年计算流体力学研究生涯中的私交好友,因此并没有将年轻一代的科学家考虑进来,但这并非由于他们的贡献不重要.另外值得注意的是欧洲的计算流体力学同美国的计算流体力学有非常紧密的联系,本文讨论所涉及的研究学者有些最早从欧洲开始涉足计算流体力学而现在则生活和工作于美国(例如Glowinski,Roe,Van Leer等人),而有些则是在美国取得了博士学位(例如Launder,Napolitano),他们都同美国的科学家进行过合作,因此很难清晰地对欧洲和美国的计算流体力学进行界定.对那些现已移居美国的欧洲科学家们,本文优先考虑了他们移居之前的贡献.最后但并非是最不重要的,作者通过电子邮件一一联系了文中所涉及的科学家,希望他们本人能够给出其自身贡献的评价草稿,从而帮助作者以最权威的视角在文中相应章节对其工作进行评述.本文向提供自述评价的诸位致以谢意,同时也希望其他同仁能够对本人不恰当的擅自评述给予谅解.     

含摩擦和加热的跨声速流动数值模拟研究

喷管中跨声速流动的反应流体动力学是实验和理论研究的一个重要领域.本文主要由两部分构成,在第一部分中对文献[2]中的Murman格式[1]的一般形式进行了简化,得到了守恒形式的欧拉方程,并对其求解方法进行了讨论,同时针对Chattot等的工作展开了分析,并给出了带激波的流动计算结果;而文章的第二部分则研究了包含摩擦、加热以及耗散的跨声速流动,并重点关注了一步Arrhenius化学反应模型下的爆震现象.本文还探究了摩擦力和带燃烧的跨声速流动之间的相互作用,同时详细给出了新的欧拉方程数值求解算法并同已有文献算例进行了对比验证.     

W型地下井发射环境数值模拟与分析

为研究导弹地下井发射环境,采用计算流体力学方法对W型井导弹发射过程的流场进行了数值模拟。通过将仿真数据与理论计算及试验结果进行对比,验证了计算模型和数值方法的准确性。采用动网格技术处理流场计算区域随导弹运动的变化过程。仿真结果表明,在整个发射过程中燃气流具有反射、引射和充分发展3个阶段,造成发射环境参数有较大变化。分析了压力和温度参数的变化规律。该数值算法和仿真结果可推广应用于发射井的设计、优化及改进。     

可压缩流体恒温热线风速仪校准方法

开展了恒温(CT)热线风速仪校准方法的研究,以满足可压缩流体中湍流度测量需求。将对数函数与多元回归技术相结合,建立了恒温热线风速仪校准的数学模型,并进行了风洞湍流度测量试验验证。在马赫数Ma=0.3~0.55范围内进行了校准试验,根据建立的数学模型对试验数据进行拟合,拟合优度R2=0.999 82,平均绝对速度偏差Δu=0.18m/s,基本满足了恒温热线风速仪校准精度要求。对马赫数Ma=0.55条件下流场进行了湍流度测量,速度测量偏差为0.034%,流场湍流度Tu=0.14%。试验结果证明了恒温热线风速仪应用于可压缩流体速度测量的可行性。     

两类激波捕捉格式的性能分析

考虑了两类典型的激波捕捉格式:特征形式的MUSCL(Monotone Upstream-centred Schemes for Conservation Laws)格式和WENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory)格式.MUSCL格式在作特征变换时使用了局部线性化的思想,并且针对波系的性质施加相应的限制器;通过逐维重构实现有限体积法的WENO格式.针对一维、二维和三维Euler系统进行数值实验.在一维和二维的情况下,特征形式的MUSCL格式在接触间断的捕捉上具有较明显的优势,而对于激波的捕捉则差别不大.对于三维问题则是WENO格式对流场的分辨更精细.最后对上述结果给出解释,并且提出了可能的改进方法.