采用大涡模拟技术发展NAPA软件的分离流动模拟能力

【摘要】：本文立足于南京航空航天大学能源与动力学院自主开发的三维大型通用计算流体力学软件NAPA,采用大涡模拟技术和双时间步非定常推进技术,以发展NAPA软件的计算能力,为此主要开展了以下工作: 首先,基于对NAPA软件的主程序框架分析和大涡模拟技术的发展调研,设计了一套在NAPA中实现大涡模拟的技术路线,选用经典的Smagorinsky亚格子涡模型计算小尺度湍动涡,而依靠高分辨率空间差分格式计算的对流项和中心差分模拟的粘性项模拟网格尺度以上的湍动涡;在采用这些算法处理空间差分项后,使用双时间步非定常推进技术解决单一的全局时间步推进面临的非定常推进十分困难的问题,可以快速、正确地求解非定常问题。 其次,在确定数值算法后,本文实现了相关各计算模块的程序编写,并基于MPI标准函数库实现了这些计算模块的并行化。此外,考虑到非定常模拟需要在时间推进一段进程后输出流场以获得非定常发展过程数据,本文基于MPI并行文件读写函数在NAPA中添加了非定常流场数据并行输出功能。此外,完成所有程序编写后,本文按照软件工程方法通过模块单元测试等手段完成了对所添加源代码的测试。 此后,本文使用所发展的软件,对经典的二维圆柱绕流问题进行了校验性模拟,通过与经典实验结果对比本文计算所获得的非定常脱落涡结构等流场特征,验证了本文所做的算法结构和程序开发工作的正确性。然后,采用本文算法和程序进一步对二维机翼大攻角分离流问题和三维圆柱绕流问题进行了数值模拟,也获得了这些流动的非定常流场结构。计算结果表明本文发展的算法可以推广到这些算例所代表的工程应用问题中。同时,本文的软件开发留有相关接口,为以后进一步扩展NAPA软件及发展大涡模拟创造了条件。