本文關鍵詞：面向并行計算流體動力學模擬的非結構動網格生成的若干問題研究

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【摘要】：諸如外掛物分離、級間分離、子母彈拋撒、機翼顫振等動邊界問題在航空航天領域十分常見,其數值模擬是計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)研究的難點之一。特別地,在高保真CFD需求的持續(xù)推動下,CFD模擬所涉及的幾何模型以及物理模型的復雜度不斷提高,計算問題的規(guī)模也隨之急速增大,并行計算已成為解決大規(guī)模CFD計算性能瓶頸問題的主要途徑。已有的并行CFD數值模擬系統(tǒng)通常采用“串行網格生成+并行求解”的“準并行”計算流程,即CFD模擬部分已實現高效并行,但相關網格處理部分還采用串行方法。顯然,當問題涉及數千萬乃至上億自由度,CFD計算已在成百上千個(乃至更多)計算核上實現高效并行時,串行網格處理以及串行網格處理與并行求解之間的數據交換等環(huán)節(jié)會成為阻礙整個計算高效進行的主要性能瓶頸。本文針對多體分離等飛行器設計中常見的動邊界數值模擬問題,以研制自主知識產權的全過程并行(“并行網格生成+并行求解”)動邊界數值模擬軟件系統(tǒng)為應用目標,在相關CFD方法、網格自動處理技術、并行CFD軟件框架的建立和集成等方面開展了系統(tǒng)性的研究工作,主要研究內容及其創(chuàng)新如下：(1)基于任意拉格朗日／歐拉(Arbitrary Lagrange-Euler, ALE)有限體積方法描述的控制方程,發(fā)展了一類基于非結構動網格技術的帶動邊界流場計算方法,繼而結合非結構網格的變形與重構技術,以及六自由度剛體運動方程求解技術,實現了一套利用非結構網格的帶動邊界流場數值模擬軟件,采用標準模型和工程算例開展了軟件的正確性驗證工作。(2)提出了一種新的四面體網格局部重連技術——殼變換,發(fā)展了一類基于殼變換的邊界恢復算法,顯著提高了復雜表面網格輸入情形下Delaunay網格生成算法的可靠性,同時利用殼變換增強了己有網格優(yōu)化算法的優(yōu)化效果。上述研究工作作為一個整體,支撐了一套高質量的非結構網格生成程序的實現,并成功應用于動邊界CFD求解的初始網格生成與網格重構環(huán)節(jié)。(3)采用區(qū)域分解方法,基于消息傳遞界面(Message Passing Interface, MPI)并行程序設計標準實現了非定常流場的大規(guī)模并行計算；研究并行CFD求解的預處理技術,并有效集成并行非結構網格生成與并行CFD求解等程序模塊,實現了初始流場的全過程并行數值模擬；繼而發(fā)展了一類基于區(qū)域分解技術的并行網格局部重構算法,實現了帶動邊界流場的全過程并行數值模擬。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V211

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本文編號：1185980