平壁湍流边界层拟序结构的大涡模拟

摘要

该文采用大涡模拟方法在并行计算平台上对平壁流动进行了数值模拟.并行计算平台是由WINDOWS NT系统下的PC机集群网络组成,网络拓扑结构采用星型拓扑结构,采用通用的消息传递环境MPI作为网络计算的并行支撑环境.并行平台搭建成功后对其进行了性能测试,结果表明对不同复杂程度的问题,计算效率均有所提高.采用计算流体力学软件CFD ACE(U),在二维情况下应用不同的进口边界条件、亚格子模型和来流湍流度对平壁流动进行大涡模拟,并将模拟结果与已有的实验结果进行对比,分析比较了这些因素对流动边界层发展的影响.亚格子模型采用Germano动力模型模拟,数值差分格式采用具有二阶精度的中心差分格式对平壁流动进行三维大涡模拟,模拟结果通过与实验结果的比较得到验证.模拟结果给出了平壁流动的瞬态发展过程以及流动中拟序结构的发展演变过程,成功地模拟了平壁边界层发展中的各种瞬态细节过程,如低速条带的产生、上举过程,马蹄形涡的拉伸变形、破裂过程.同时对拟序结构中展向涡结构的生成进行详细分析.

目录

文摘

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主要符号表

1.绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.2.1边界层拟序结构研究概况

1.2.2边界层拟序结构研究的主要结果

1.3研究的目的和内容

2.WINDOWS NT系统下PC机集群网络并行计算环境

2.1概述

2.1.1并行计算中的有关问题

2.1.2计算流体力学并行算法发展概况

2.2并行计算机分类

2.2.1按指令与数据分类

2.2.2按存储方式分类

2.3并行计算平台组建

2.3.1平台组件（见表2.1）

2.3.2网络拓扑结构

2.4并行计算环境MPI

2.4.1 MPI的产生

2.4.2 MPI的定义

2.4.3 MPI的目的

2.4.4目前主要MPI的实现的

2.5 WINDOWS NT环境下MPI的安装和调试

2.5.1系统要求

2.5.2安装

2.5.3注册与配置

2.5.4模拟软件的安装与配置

2.6并行平台性能测试

2.6.1网格节点数为50 × 50 × 50=125000

2.6.2网格节点数为70× 70× 70=343000

2.6.3网格节点数为100 × 100×100=1000000

2.6.4网格节点数为115 × 115 × 115=1520875

2.6.5网格节点数为125 × 125 × 125=1953125

3.湍流的大涡模拟方法及计算软件介绍

3.1湍流及其模拟的思想观点

3.2湍流的模拟方法

3.2.1直接数值模拟

3.2.2大涡模拟

3.2.3 Reynolds(雷诺)时均方程方法

3.3湍流流动的大涡模拟

3.3.1滤波

3.3.2大涡模拟的控制方程方程和亚格子雷诺应力

3.3.3亚格子尺度模型

3.3.4大涡模拟模拟存在的几个问题

3.4复杂流动的大涡模拟算例

3.4.1流动参数及网格划分

3.4.2计算结果与分析

3.5数值模拟软件—CFDRC介绍

3.5.1前处理软件—ICEM CFD

3.5.2计算软件—CFD ACE(U)

3.5.3后处理软件—CFD VIEW

4.平壁湍流边界层拟序结构的大涡模拟

4.1平壁湍流边界层的拟序结构

4.1.1平壁湍流边界层拟序结构

4.1.2平壁湍流边界层拟序结构的主要特征

4.2影响平壁湍流边界层转捩的其它因素

4.2.1来流湍流度

4.2.2壁面粗糙度

4.2.3体积力

4.2.4热传导

4.2.5边界层的吸出和吹入

4.2.6压力梯度

4.3平壁湍流边界层拟序结构的二维大涡模拟

4.3.1不同进口边界条件的比较

4.3.2不同亚格子模型的比较

4.3.3不同来流湍流度的比较

4.4平壁湍流边界层拟序结构的三维大涡模拟

4.4.1大涡模拟模型的建立

4.4.2模拟结果分析

5.结论

致谢

参考文献