气固两相剪切流动大规模并行直接数值模拟研究

【摘要】：随着大规模并行计算机硬件和软件技术的发展,为两相流动的直接数值模拟研究提供了新的平台。为了深入研究两相流动的国际性难题,比如湍流调制,优先聚集,颗粒与流体之间的质量、动量耦合等,本文进行了两相流动并行算法的基础理论研究。预计在不久的将来,随着并行计算技术的不断发展,必然会产生更加精细的两相流动的计算方法,得到的颗粒与流体作用的内在的信息更加细致,也必将大量的依赖于大规模的并行计算机,因此开展大规模颗粒并行算法显得尤为重要。 开展两相流动并行计算需要解决的关键问题是颗粒的并行算法。本文成功实现了欧拉-拉格朗日下大量颗粒的并行直接数值模拟算法。解决了颗粒穿越计算区域边界的MPI信息传递过程,并行环境下颗粒与流体之间的双向耦合,颗粒与颗粒之间碰撞并行算法。在没有采用计算颗粒概念前提下,模拟到最多颗粒数为2000万。通过并行效率比较和模拟结果与试验严格对比验证,表明研发的两相流动的并行直接数值模拟程序是可信的。 在吸收国际上特征无反射边界条件最新研究成果的基础上,发展了三维可压缩流动中的特征无反射边界条件,给出了详细的数学推导过程以及计算区域边、面和交点的具体实现方法。通过反复的可压缩流动数值试验,以及在上海超算中心进行的5亿网格的单相圆孔射流并行数值模拟,证明三维特征无反射边界条件的处理是合理的,研发的可压缩流动并行数值模拟程序是可信的。 在三维两相流动并行直接数值模拟计算程序基础上,详细进行了两相圆孔射流颗粒扩散以及湍流调制的研究。从理论上证明了本文的两相直接数值模拟严格满足了点力方法(point force method)的要求,是真正意义上的两相流直接数值模拟。数值模拟的结果与试验进行了参数完全一样的对比验证。系统研究了两相流中不同颗粒对涡结构和湍流统计量的调制作用,提供了非常有价值的湍流调制的信息,弥补了试验中小尺度涡结构湍流调制测量的困难。 在三维单相流动并行直接数值模拟程序基础上,开展了圆孔射流的研究。主要研究射流的卷吸,湍流统计量迁移的规律,湍动能输运方程和雷诺应力输运方程中能量转移过程。实现了5亿网格的圆孔射流直接数值模拟,得到了圆孔射流从近场到完全自相似区发展的统计数据,包括涡结构和湍流统计量演化的空间和时间信息,为深入认识圆孔射流发展的内在规律提供了重要的手段。