基于并行计算的大涡模拟方法及其工程应用基础研究

【摘要】： 论文的主要工作目标是希望将湍流高级数值模拟技术——大涡模拟方法应用于工程问题的研究。为此，搭建了微机并行计算平台，解决了大涡模拟对计算资源要求；对CAD／CAM、网格生成与CFD系统集成进行研究，并将论文中所要计算的模型纳入到此系统内；在对圆柱绕流问题进行了系统和深入的数值模拟研究和对圆柱绕流瞬态PIV测量结果与数值计算结果进行比较工作基础上，得到大涡模拟方法正确计算所需要注意问题和若干结论；最后利用以上得出的计算经验和结论，通过对一个实际工程问题——静态混合器优化的数值计算，完成了CFD中湍流高级数值模拟技术——大涡模拟方法工程应用的系统尝试。 论文的主要工作如下： 首先，对目前主流的CAD／CAM软件、网格生成软件以及CFD软件进行了全面系统的研究，讨论系统集成的重要性、可操作性以及在工业推广中的价值，提出了系统集成的具体方法，并利用此方法生成了本文研究所使用的两类网格。 其次，为了解决大涡模拟对计算资源的要求问题，提出了采用微机并行的思路。为此对并行计算机分类、LINUX操作系统、局域网的组建以及网络并行环境MPI的实现进行了研究。搭建了一座具有四节点的并行计算平台，并对并行平台的基本工作性能进行了测试。通过测试发现当网格数量超过512000时，两台计算机并行效率超过67.9％；四台计算机并行效率超过52.8％，并且随着网格数量增加，并行效率能够得到进一步提高。通过测试结果说明，在这种小型分布式并行机群上的并行效率是令人满意的。 在上述工作的基础上，本文对圆柱绕流进行了大涡模拟研究。研究发现F(?)ppl涡对从产生的一瞬间就是不稳定的，其初始变化频率十分缓慢，初始变化频率大约是周期变化稳定以后变化频率的2.5％～3％左右；波动幅度也十分有限，其初始阶段最大值仅为周期性充分发展幅度的0.035％～0.05％左右。通过采用构造入口边界条件的方法，对Kármán涡街的形成机理进行研究，认为涡街的生成与物体本身无直接关系，物体的存在只是在空间内提供了可以产生绝对不稳定区域的基本流，因而近尾迹绝对不稳定模式的解释较为合适。利用三种不同研究方法①直接采用双方程k-ε模型对圆柱绕流进行计算②采用双方程k-ε模型对后台阶突扩流动进 西安建筑科技大学博士学位论文 行非定常计算③构造入口边界条件，在无圆柱条件下进行计算，对双方程k一:模型计算圆柱 绕流适定性问题进行讨论，认为双方程k一:模型不适用于计算圆柱绕流非定常计算问题。在 不同湍流度下圆柱绕流进行了研究，发现湍流强度改变后阻力曲线形式变化相当大，但是平均 之后的结果变化不是很大。三维圆柱绕流的大涡模拟显示:其计算结果与己有的实验结果吻合 较好。通过对流项差分格式cD格式和侧mCK格式比较，发现两种格式计算差别不大，CD 格式略好于QUICK格式。对二维大涡模拟和三维大涡模拟的时均结果进行比较，认为二维模 拟在低雷诺数下计算结果和三维计算结果较为接近，但是在高雷诺数下计算结果差别很大。 结合数字式PW测试系统，搭建了一座用于圆柱绕流测量的小型水洞，并在该水洞上完成 了圆柱绕流的X一Y断面和X一Z断面上二维和三维流动的测量，在低雷诺Re=100下成功的 捕获了圆柱绕流中卡门涡街的周期性流动瞬态特征，经与数值模拟结果比较，发现两者吻合较 好，同时也说明了数值模拟结果的可靠性。通过在Re=250、Re=500、Re=750和Re=1000 时圆柱轴线与沿流动方向平面(X一Z平面)的流动测量，发现圆柱绕流的三维运动效应明显， 并且随着雷诺数的增加三维运动效应也越显著。 最后，对静态混合器研究进行了研究。在以往静态混合器层流研究基础上，本文又对湍流 混合理论进行了研究，并对掩浦cs KEV型静态混合器进行了大涡模拟研究。通过研究发现， 对应用于双组分单一液相流的静态混合器来说，其混合效果主要受两个因素决定:流体湍流强 度;流体在混合器中的停留时间。并由由流体力学理论得到，增强流体湍流强度通常是增大流 体的剪切强度;或者是改变沿流向速度。 首次提出了有效混合和无效混合的概念，提出了一种新的用于静态混合器研究的计算实验 的方法，并将此方法用于对掩而cs KEV型静态混合器进行研究。通过改变亚格子湍流施密特 数Sct，从而实现无湍流扩散条件下静态混合器的数值模拟，进而考察了在翼片在对流作用下 对静态混合器内部浓度场结构分布影响，为优化混合器内部结构提供了一个重要方法。首次采 用大涡模拟方法，对K治苗cs KEV型静态混合器的结构进行了优化设计，通过比较混合器出口 浓度分布和静压沿轴向压力分布，发现了在翼片结构形式为细长翼片，倾斜角度为30“时混 合效果最优。