激波与火焰面相互作用数值模拟的GPU加速

为考察计算机图形处理器（GPU）在计算流体力学中的计算能力,采用基于CPU/GPU异构并行模式的方法对激波与火焰界面相互作用的典型可压缩反应流进行数值模拟,优化并行方案,考察不同网格精度对计算结果和计算加速性能的影响.结果表明,和传统的基于信息传递的MPI 8线程并行计算相比,GPU并行模拟结果与MPI并行模拟结果相同;两种计算方法的计算时间均随网格数量的增加呈线性增长趋势,但GPU的计算时间比MPI明显降低.当网格数量较小时（1.6×10⁴）,GPU计算得到的单个时间步长平均时间的加速比为8.6;随着网格数量的增加,GPU的加速比有所下降,但对较大规模的网格数量（4.2×10⁶）,GPU的加速比仍可达到5.9.基于GPU的异构并行加速算法为可压缩反应流的高分辨率大规模计算提供了较好的解决途径.     

斜激波与有扰界面相互作用的数值模拟

本工作应用多流体体积分数模型，采用高分辨率PPM格式数值模拟斜激波加速有扰界面过程。侧重对比不同扰动振幅无量纲数条件下，激波加速导致快／慢界面演化的差别，并从斜压项分布差别的角度，分析涡量沉积的规律。对应不同扰动振幅无量纲数，发现了一些涡量在界面沉积及界面演化的有趣的现象。定义扰动振幅无量纲数a／L。口为扰动振幅，L是界面长度。计算的3个扰动振幅无量纲数分别为0．0，0．052，0．104。对应不同时间序列60，120，180，240，300μs，计算给出了分别对应扰动振幅无量纲数为0．0，0．052，0．104的密度、涡量、斜压项等值线图。     

斜激波与物质界面相互作用的数值模拟

当斜激波与多种物质分界面相互作用时，会出现Richtmyer-meshkov不稳定性现象，以及由于斜压性导致的涡量产生。研究激波与物质界面相互作用在燃料混合和激光质性约束聚变方面有着重要意义。有研究平面界面扰动演化的实验，研究柱面和球面界面的实验。数值模拟方面的研究也有很多。但激波与界面相互作用的理论研究很不完善，如Richtmyer。提出的不稳定性线性理论仅对激波与穿过界面很短的时间内有效，Sturtevant就发现实验结果与线性理论相差很大。     

激波与火焰作用的实验与理论研究

采用高速摄影技术拍摄了等当量比的甲烷/空气预混气环境下,火焰与激波相互作用的时序照片,对实验结果进行了分析讨论。使用基于带化学反应的N-S方程和热力学数据,利用改进的VLS格式,对等当量比条件下甲烷/空气预混气中激波与火焰的相互作用进行了数值模拟,并利用光学知识,进行了计算光学的数值模拟。实验结果与数值计算结果进行了比较,两者符合得较好。     

激波和单列水柱、气水固多界面相互作用的数值模拟

研究可压缩多介质流场的激波和多介质界面相互作用问题.在Descartes固定网格采用level-set方法追踪界面,气/气界面边界条件处理采用OGFM方法,采用修正的rGFM方法提高气/水和气/固界面处构造Riemann问题精度,将Riemann近似解得到的界面参数外推到两侧真实和虚拟流体,采用五阶WENO方法求解流场Euler方程和界面level-set方程,给出不同时刻流场数值纹影图像.结果表明：在可压缩流场嵌入固体和水、气体等目标,本文方法可较精确地分辨平面运动激波和单列水柱及包含气/气、气/水和气/固等界面作用后产生的复杂激波结构.和传统的分区与贴体变换方法不同,为Descartes网格包含多介质界面复杂流场计算提供新途径.     

激波冲击火焰的流动拓扑研究

为深入研究激波冲击火焰现象的内在机制,采用二维带化学反应的Navier-Stokes方程对现象进行数值研究,通过对速度梯度张量特征方程的分析证明Okubo-Weiss函数适用于可压缩流动,并重点分析火焰区的流动拓扑特性.结果表明,波后火焰区内Okubo-Weiss函数积分量基本守恒,但在火焰区内部和表面具有截然不同的流动状态,且火焰发展基本不受流场可压缩性的影响;波后火焰区的流动拓扑分类主要以焦点和鞍点为主,意味着流场中变形占主导.     

激光引致激波演化数值研究

在高重复频率激光推进的研究中,激波的合并是发生在激波演化后期的,同时由于脉冲间隔短,脉冲宽度对流场演化的影响也需要详细研究。考虑了激光辐照过程对流场演化的影响,通过数值计算对激波演化特性进行了研究。结果表明,初期波阵面的椭球形状逐渐转化为一个球形,球心与击穿点的距离随时间逐渐减小并最终趋于稳定。基于激波合并的应用,当激波马赫数在1~2之间时,给出了激波波阵面半径随时间的变化规律,以及激波高压区长度和波峰压强随激波波阵面半径变化规律的经验公式。     

非定常激波对气膜冷却影响的数值模拟

利用数值计算的方法研究了非定常激波对下游涡轮叶片表面气膜冷却的影响.冷却气流在激波和尾迹经过的过程中,发生了上扬和重新被压制回壁面的现象.考察了壁面上特定点在有气膜和无气膜情况下的换热量.通过计算发现,有气膜时的换热量有不同程度的下降,而且换热量随时间变化的趋势也发生了很大的变化.气膜的覆盖减小了主流场对壁面换热量的影响.     

斜激波与轴对称边界层干扰的数值模拟

使用两方程Menter-SST模型,对来流Mach数为3时的斜激波与轴对称边界层的相互干扰现象进行了数值模拟与定性、定量分析。研究了斜楔激波发生器楔角和来流单位Reynolds数变化对干扰区流动的影响,总结了参数变化引起的流动分离变化规律;此外,还计算了与三维计算中心对称面上的入射激波等效的二维情形,并将三维结果与二维情形进行对比,对比结果显示中心对称面上的壁面压力系数、分离涡尺寸、涡量分布等与相应的二维情形存在明显差异。     

离心压气机内激波/叶排相互作用

对根部存在疲劳裂纹的某跨音离心级进行了非定常流场数值研究,其中着重关注运动激波／叶排相互作用物理图画及其影响。研究表明:离心压气机中运动激波／叶排相互作用仍然服从一般激波／固壁相交行为规则;叶轮／扩压器间距小以及叶轮尾迹相对较宽造成扩压器内激波剧烈变化;扩压器前伸波深入叶轮通道深度由激波强度及扩压器前缘附近叶表形状决定;扩压器前伸波与叶轮尾缘相互作用可能是本叶轮根部尾缘发生高周疲劳的原因。     

用STC格式求解二维激波—边界层相互作用问题

将空间—时间守恒(STC)格式应用于求解N-S方程,并对激波—边界层相互作用问题进行了计算。结果表明,该方法可捕获激波与边界层相互作用的各种现象,显示了优良的数值模拟性能。     

气液爆轰波及冲击波传播的数值研究

采用高分辨率ＴＶＤ格式、ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ格式和二维轴对称气液两相方程组数值模拟了气液爆轰的发展过程及冲击波误减规律,计算结果与国内外研究结果符合良好。     

多孔铝中热击波的数值模拟

 本文利用数值模拟方法对多孔铝在热击波作用下的力学效应进行了分析和研究。文中对用于描述多孔材料本构关系的p-a方程进行了改进，使其具有更为广泛的适用性和合理性，尤其是在描述多孔材料发生熔化出现零压时，具有突出的优越性。在处理压强p和多孔材料的多空度a的关系时，我们采用了M. M. Carroll的空心球壳模型，并考虑到热辐射引起的能量沉积作用，对其进行了修正，使其能恰当地反映出在热辐射条件下所遵循的规律。描述材料状态变化的是GRAY的金属三相物态方程。由上所述建立起来的这套方程及其对多孔材料中热击波的处理结果都具有一定的价值。     

固体粒子通过叶尾激波的运动特性

含尘叶轮机械如烟气轮机。高炉余气透平已得到广泛的使用。其内部是含有固体粒子的气固两相流动,又是有激波的跨音流动。叶片近尾缘区内的固粒运动受到激波的作用,使用常规的理论方法来预测气固两相流的流场会产生误差。本文通过粒子的受力分析建立了固体粒子通过激波时的运动模型。通过数值模拟可以明显的见到固体粒子受到激波的作用,粒子在激波后运动有明显的折转。获得了粒子通过激波的运动特性。     

激波的格子玻尔兹曼方法模拟

格子玻尔兹曼方法已被广泛应用于模拟流体,但主要应用于模拟不可压流体。应用二维正方格阵上的3速9点模型模拟激波的传播。考察了激波关系式、激波的宽度和结构。模拟结果与由Chapman-Enskog展开导出的流体方程的解相符。这说明格子玻尔兹曼方法能够模拟可压缩流体。     

叶轮与叶片扩压器相干非定常流动的数值模拟

本文采用了不对粘性项作任何近似的时间倾斜算子,来处理转子和静子栅距不相等时的周期性边界条件施加时所出现的问题。对某一离心压缩机进行了非定常的数值模拟,并把其结果同实验测量数据和商用软件的结果进行了比较。结果表明两种非定常计算方法比定常计算结果更接近于实验测量值,定常的计算结果在某些测量平面上不能充足地预测出流场结构,本文所发展的时间倾斜算子的计算程序在总体上同实验测量结果吻合最好,应用其能很好地预测离心压缩机级的非定常流动。     

总压进口畸变与失速裕度相互关联非定常特征的数值模拟

本文采用数值模拟方法对方波形式的总压进口畸变的强度系数 DC(60)和轴流压气机的特性曲线进行二维数值模拟。对不同流量下不同强度的总压畸变的强度系数进行了比较,并通过改变出口背压得到不同畸变强度下压气机的特性曲线和失速点。     

甲烷预混燃烧火焰的详细数值模拟

将六步简化甲烷燃烧反应模型与层流Ｎ－Ｓ方程相结合，数值模拟了定常与非定常的甲烷预混燃烧火焰．得到了速度、温度和包括ＣＯ和ＮＯ在内的十种组份的浓度分布；预测了进气流量脉动时的燃烧流场特性．该模型及其计算软件可较推确地模拟化学反应动力学起主导作用的甲烷预混燃烧现象，为研究燃烧过程特性，发展高效低污染燃烧技术与设备提供了有力的数值研究工具．     

椭圆涡环相互作用的离散涡数值模拟

本文发展了三维离散涡模型研究了单个椭圆涡环以及两个沿同一轴线运动涡环的相互作用.首先用两个相向运动圆涡环的碰撞过程与实验的对比验证了模型的有效性,随后研究了单个椭圆涡环的运动,得到了其长短轴交替互换周期的表达式.最后以此为基础分别研究了沿同一轴线两个椭圆涡环的相向碰撞和交替穿越过程,发现碰撞后生成的新涡环变大而形状与涡环的初始形状相似,而在两个椭圆涡环的相随运动中其长短轴交替互换则始终贯穿于交替穿越过程.