211 / 2019-08-29 11:31:57

三维不可压湍流平板边界层的DNS并行直接求解方法

计算流体力学、多场耦合、生物力学、动力学等 > 计算流体力学

超级计算机硬件技术及高效并行计算技术的快速发展为进一步探讨不可压N-S方程的数值计算并扩大计算规模提供新的平台。在过去的十年中，我们为解决极高Ra数湍流热对流的DNS模拟，建立了并行直接求解方法（PDM-DNS），非常有效的提高了湍流热对流规模并行计算的计算效率，并得到系列结果。在此，我们将PDM-DNS推广到三维湍流平板边界层流动的DNS模拟计算中。
对不可压流动N-S方程的数值模拟计算，不论采用何种计算模型或是DNS，其压力泊松方程的求解都是大规模并行计算的难题，直接求解方法不易于并行，迭代求解容易实现并行但迭代计算过程占用大量的计算时间，所以很难实现高效率的大规模计算，因此妨碍大规模不可压流动N-S方程DNS模拟的进一步发展。我们建立的PDM-DNS方法，在求解压力泊松方程时采用FFT变化解耦并结合三对角方程追赶法实现直接求解，进一步结合PDD技术，可建立具有高效并行的不可压NS方程的DNS并行直接求解方法。本文首先完成了OpenMP并行环境中不可压湍流平板边界层流动的DNS直接求解方法计算方法研究，并进行了试算。针对平板湍流边界层的特点，为减少由于自然转捩所需计算空间过长的要求，参考平板湍流边界层风洞实验的做法，采用浸入边界法在平板前端加扰动钉子使流动产生物理转捩，减少计算中加入数值扰动所产生的结果不确定性。计算结果表明本文方法可以得到合理的湍流边界层流动结果，并具有很好的计算效率。进一步推广到规模并行计算，可以得到充分发展的高Re数不可压湍流边界层流动，为边界层流动控制等研究提供研究基础和数据。