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基于并行计算的三维可压混合层大涡模拟

徐晓磊  
【摘要】:本文的研究内容属于计算流体力学和计算机应用研究领域的交叉领域,课题源于南京理工大学弹道国防科技重点实验室主任基金。 本文分别从理论分析、数值模拟以及并行计算的设计与实施三个方面对三维可压混合层流动过程进行了研究,并通过数值结果对其整个混合过程及其湍流的拟序结构的出现、发展与演变过程进行了讨论。 本文所讨论的是在一个有上下两层不同气体介质的流动空间内,设定不同的初始密度比,速度比以及不同的初始扰动等条件来进行计算分析混合层流动过程的发展状态,并与实验结果进行对比;并将并行计算的思想加入到程序中,能够在计算时提高程序的计算效率。 通过建立数学模型,利用大涡模拟方法(Large Eddy Simulation,LES)对马赫数为0.65的可压缩气体混合层的三维流动进行了数值模拟,计算结果显示了混合层流动的三维瞬态发展过程以及流动过程中涡的产生,生长,破裂,以及涡列的形成与各涡的合并过程,揭示了可压混合层三维演变过程中同样具有自相似性,计算结果与实验结果相符。同时还讨论了混合层初始状态条件下不同扰动、不同初始速度比以及不同初始密度比对混合层演变过程的影响。并试探性的研究了大速度情况下的混合层流动,也取得了很好的效果。 并行计算的加入也是本课题的一大重点。在原有程序的基础之上,为了将程序的计算速度提高而引进了并行设计。它能够大大提高程序计算的效率,为我们以后遇到类似的问题而作准备。我们选择MPI(Message Passing Interface)并行设计,以C语言作为平台,利用Linux作为操作系统,5台电脑同时运行计算,效率将比单台高很多,最高加速比可以达到4左右,从而实现了以简单、便宜的PC并行集群系统代替复杂、昂贵的超级计算机的目的。 相关单机数值模拟和并行计算结果与前人的实验和数值结果相符,表明本文采用的数值模拟方法以及并行计算方式切实可行,可为相关研究提供一定的参考。


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