三维湍流Rayleigh-Bénard热对流的高效并行直接求解方法

高Ra数Rayleigh-Bénard热对流的湍流特性研究是当前国际上的一个热门研究课题, DNS模拟计算是研究该课题的重要手段之一. 当计算规模增大而网格数巨大时计算工作难以实现, 高Ra湍流热对流的数值模拟研究面临重大挑战. 本文创建了大规模高效并行计算的三维湍流热对流直接求解方法. 采用FFT变换解耦压力泊松方程, 将其变换成沿z方向上的块三对角方程组, 并利用块三对角方程的MPI与OpenMP联立的大规模高效并行近似解求解方案, 创建了可以高效并行计算的热对流直接求解方法. 通过对该方法并行效率的验证计算, 证明新的直接求解并行计算方法具有很好的并行效率和计算时效. 三维窄方腔热对流的计算结果表明, 本文方法计算的三维热对流特性是合理的. 本文创建的可大规模高效并行计算的三维湍流热对流直接求解方法, 也很可能是关于计算流体力学不可压NS方程大规模高效并行计算在特殊情况中计算技术上的一个突破.     

湍流热对流DNS多分辨率并行直接求解方法

依据温度标量场与动量计算的空间和时间计算分辨率不同的特点,采用两套网格,建立多分辨率双网格并行直接求解方法,用以解决极高Ra数湍流热对流DNS模拟巨大计算工作量的难题.在两套网格的数据交换上,根据每个细网格都满足连续方程,设计了速度的守恒平移插值方法.二维极高Ra数湍流热对流的计算结果表明,采用多分辨率双网格并行直接求解方法的DNS计算,可以使计算工作量降低近一个量级.瞬时温度场显示,双网格方法的计算结果可以很好地描述极高Ra数下快速运动的小尺寸漩涡团状羽流,得到的结果与原网格一致,不同方法计算得到的传热Nu数误差不超过1%.     

湍流热对流Prandtl数效应的数值研究

本文采用直接数值模拟的并行直接求解方法,计算了Ra=10~(10),0.05≤Pr≤20的系列Prandtl(Pr)数二维湍流热对流.通过流动显示技术,讨论了Pr数对羽流形态和大尺度环流结构的影响.在Ra=10~(10)时,随着Pr数减小,羽流的运动和分布表现出更强的湍流性质,较高Pr数的羽流则表现出较强的规律性,当Pr4.3时,流场中存在明显的大尺度环流和角涡结构.不同Pr数的温度边界层厚度差异不大,并随Pr数存在标度率变化关系.当Pr数较低时,系统的传热Nusselt(Nu)数随着Pr数增加而增加,当Pr数较高时,Nu数随Pr数的变化不敏感.靠近底板处速度脉动随Pr数有显著的变化,Pr数越低速度波动越剧烈.通过底板中心位置水平脉动速度和平均场水平速度最大值给出的雷诺数Re_((u))和Re_(U_(max)),两种Re数随Pr数的变化满足同一标度律,为Re～Pr~(-0.81).     

滑移边界对二维Rayleigh-Bénard热对流流态和传热特性的影响

采用并行直接数值模拟（PDM-DNS）计算无滑移和滑移边界二维Rayleigh-Bénard热对流.与无滑移边界形成的随机羽流运动的湍流热对流不同,滑移边界热对流最终形成湍流特征消失,且温度仅分布于四壁的一个大尺度环流的流动形态.平均场近底板的温度分布特性,无滑移边界逐渐变化而滑移边界出现过冲现象.宽高比Γ=1时,Nusselt数（Nu）随Rayleigh数（Ra）的变化具有相同标度指数,Nu~Ra^0.3.滑移边界热对流具有传热增强作用.滑移边界热对流Nu随Γ变化明显,并分为两个阶段,在Γ=0.5时出现Nu_max≈250,是无滑移边界热流Nu的5倍.     

湍流热对流中的若干问题

对流是自然界中的一种常见现象,与人们的日常生产、生活息息相关。作为湍流和非线性系统的一个简单模型,在20世纪90年代以后,人们对热对流进行了系统而深入的研究。然而,直到现在,人们对湍流热对流的规律和本质仍然所知有限。文章主要从湍流传热、相干结构、大尺度环流和湍流中脉动量的小尺度统计等四个方面,简要地介绍了近年来湍流热对流的一些新进展。     

湍流热对流中的若干问题

对流是自然界中的一种常见现象,与人们的日常生产、生活息息相关。作为湍流和非线性系统的一个简单模型,在20世纪90年代以后,人们对热对流进行了系统而深入的研究。然而,直到现在,人们对湍流热对流的规律和本质仍然所知有限。文章主要从湍流传热、相干结构、大尺度环流和湍流中脉动量的小尺度统计等四个方面,简要地介绍了近年来湍流热对流的一些新进展。     

湍流热对流温度剖面双参数拟合及其变化特性

采用高效并行的直接数值模拟方法计算了三个Pr数的系列Ra数的二维热对流.对所有计算结果的平均场温度边界层特性进行研究,采用考虑脉动作用的双参数温度边界层理论对温度边界层剖面进行拟合,得到了拟合参数a和参数c的分布.参数a决定了温度剖面的基本特性,而参数c起到了对温度剖面外区的修正作用,使得在5个边界层厚度温度边界层剖面的计算值与理论解符合良好.参数c的变化特性与参数a的相反, a值增大则c值减小.不同的Pr数拟合参数a随Ra数变化具有不同的分布特性,但都存在突然减小的间断.参数a的间断变化是由湍流热对流流动状态由椭圆形大尺度环流突变到圆形大尺度环流造成的,且随着Pr数变大间断点的特征Ra数增高.相同Ra数时Pr数越大温度剖面的拟合参数a值越小,表明温度边界层中脉动的影响越小.传热特性N u/Ra0.3、表征羽流运动特性的大尺度环流路径周长,及温度边界层拟合参数a三者随Ra数的变化都存在转折或间断,且对应相同的特征Ra数,显示三者具有很好的相关性并与流动形态变化直接关联.     

分离比对混合流体Rayleigh-Bénard对流解的影响

混合流体Rayleigh-Bénard对流是研究非平衡对流的非线性动力学特性的典型模型之一.基于流体力学方程组的数值模拟,首先探讨了矩形腔体中具有强Soret效应(分离比Ψ=-0.60)的混合流体行波对流的分叉特性及斑图演化,沿着分叉曲线的上部分支,随着相对瑞利数的增加,此系统依次出现了局部行波对流、具有缺陷的行波对流、行波对流、摆动行波对流及定常对流5种行波对流解.然后,研究了分离比Ψ对对流解的影响,与弱Soret效应(Ψ=-0.11)时的对流解相比较,强Soret效应(Ψ=-0.60)时出现的对流解更丰富.由于有强Soret效应的对流的复杂性,Ψ=-0.60时的对流解与Ψ=-0.20,-0.4时的对流解不同.     

基于GPU的液晶大气湍流模拟器波面生成的并行实现

为了使液晶大气湍流模拟器具有实时大气模拟能力,在GPU通用计算架构下提出了基于GPU的液晶大气湍流模拟器实时波面生成计算方法。针对液晶湍流模拟器高分辨率、高精度的特点介绍了湍流波面生成计算方法,论述了CUDA通用计算架构。建立基于GPU的波面生成模型,并对该模型进行了并行化优化和共享存储器优化。给出了采用CPU与GPU进行波面生成的实验对比结果。结果表明：采用GPU生成分辨率为256256, 192项Zernike多项式进行波面生成的平均时间为2.5 ms,生成速度比CPU少两个量级,满足实时波面生成的要求。     

基于GPU的液晶大气湍流模拟器波面生成的并行实现

为了使液晶大气湍流模拟器具有实时大气模拟能力,在GPU通用计算架构下提出了基于GPU的液晶大气湍流模拟器实时波面生成计算方法。针对液晶湍流模拟器高分辨率、高精度的特点介绍了湍流波面生成计算方法,论述了CUDA通用计算架构。建立基于GPU的波面生成模型,并对该模型进行了并行化优化和共享存储器优化。给出了采用CPU与GPU进行波面生成的实验对比结果。结果表明:采用GPU生成分辨率为256×256,192项Zernike多项式进行波面生成的平均时间为2.5ms,生成速度比CPU少两个量级,满足实时波面生成的要求。     

Model for modulated and chaotic waves in zero-Prandtl-number rotating convection

The effects of time-periodic forcing in a few-mode model for zero-Prandtl-number convection with rigid body rotation is investigated. The time-periodic modulation of the rotation rate about the vertical axis and gravity modulation are considered separately. In the presence of periodic variation of the rotation rate, the model shows modulated waves with a band of frequencies. The increase in the external forcing amplitude widens the frequency band of the modulated waves, which ultimately leads to temporally chaotic waves. The gravity modulation, on the other hand, with small frequencies, destroys the quasiperiodic waves at the onset and leads to chaos through intermittency. The spectral power density shows more power to a band of frequencies in the case of periodic modulation of the rotation rate. In the case of externally imposed vertical vibration, the spectral density has more power at lower frequencies. The two types of forcing show different routes to chaos.      

对流扩散问题的高精度交替组分八点格式

给出对流扩散方程的一种高精度交替分组8点格式,可以用于并行计算,且无条件稳定.数值实验证实此格式具有高阶精度.     

Local Collocation Approach for Solving Turbulent Combined Forced and Natural Convection Problems

An application of the meshless Local Radial Basis Function Collocation Method (LRBFCM) [22, 30–33] in solution of incompressible turbulent combined forced and natural convection is for the first time explored in the present paper. The turbulent flow equations are described by the low-Re number $k − ε$ model with Launder and Sharma [23] and Abe et al. [1] closure coefficients. The involved temperature, velocity, pressure, turbulent kinetic energy and dissipation fields are represented on overlapping 5-noded sub-domains through the collocation by using multiquadrics Radial Basis Functions (RBF). The involved first and second order partial derivatives of the fields are calculated from the respective derivatives of the RBF's. The involved equations are solved through the explicit time stepping. The pressure-velocity coupling is based on Chorin's fractional step method [11]. The adaptive upwinding technique, proposed by Lin and Atluri [27], is used because of the convection dominated situation. The solution procedure is represented for a 2D upward channel flow with differentially heated walls. The results have been assessed by achieving a reasonable agreement with the direct numerical simulation of Kasagi and Nishimura [20] for Reynolds number 4494, based on the channel width, and Grashof number 9.6 × 10⁵. The advantages of the represented mesh-free approach are its simplicity, accuracy, similar coding in 2D and 3D, and straightforward applicability in non-uniform node arrangements.     

求解对流扩散方程的紧致修正方法

提出了求解对流扩散方程的紧致修正方法,该方法是在低阶离散格式的源项中,引入紧致修正项,从而构造高阶紧致修正格式,并进行求解.采用紧致修正方法对典型的对流扩散方程进行计算.结果表明,紧致修正方法虽然与二阶经典差分方法建立在相同的结点数上,但紧致修正方法的精度与紧致方法的精度相同,均具有四阶精度.所以紧致修正方法可以在少网...     

格子Boltzmann方法模拟自然对流作用下融化传热过程

建立自然对流作用下融化的格子Boltzmann双分布函数模型,根据非线性对流扩散方程的格子Boltzmann模型理论提出一个新的表征融化温度场的分布函数演化方程,并通过变松弛时间方法处理固液两相变热物性传热问题.应用模型对热传导融化及自然对流融化特别固液变热物的融化过程进行模拟.模拟结果与分析解、经典的关联式结果吻合较好,模型的正确性得到了验证.模拟结果表明,自然对流对融化传热过程有着重要的影响,此外固相热传导也对融化传热、融化速率及固液两相温度分布都有一定影响.     

格子Boltzmann方法对Rayleigh-Benard流的模拟与非线性分析

本文利用格子Boltzmann方法对不同Ra下的Rayleigh-Benard自然对流进行了数值模拟,得到的Nu与前人的结果一致。数值结果表明,Ra=2000时,格子Boltzmann方法得到了三个静态分岔解,其中一个为非稳定解;在Ra=5×10~5时格子Boltzmann方法得到了类似于周期的振荡解。本文采用插值格子Boltzmann方法,在Ra=2000,取不同插值节点进行计算时,得到了一种非稳态解。