基于GPU的三维顶盖驱动空腔流的格子Boltzmann模拟与分析

作     者：陈会军 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：施保昌

授予年度：2016年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 080103[工学-流体力学] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：格子Boltzmann方法 GPU-CUDA 数值模拟 顶盖驱动空腔流 涡结构 

摘      要：格子Boltzmann(LB)方法是一种不同于传统数值方法的流体计算以及建模方法,与传统模拟方法不同的是,LB方法基于动理论,具有清晰的物理背景。此外,LB方法具有很多显著的优点,如它边界条件处理简单,程序易于实施,以及具有天然并行性。因此本文主要利用LB数值方法,设计GPU-CUDA加速程序,用来模拟三维空腔内流体的流动。为了说明GPU-CUDA程序的正确性和加速能力,我们首先对一些二维稳定流进行了数值模拟,并且将模拟结果和其它方法已有的结果作对比。结果显示,GPU-CUDA可以有效地减少程序计算时间,并且在误差范围内和前人的模拟结果保持一致,这说明我们所采用的方法适用于二维流体问题的研究。随后我们再将GPU-CUDA程序推广到三维顶盖驱动空腔流问题的研究中,发现数值结果可以和文献中的结果吻合得较好,这表明本文的计算方法和模型对于三维问题的研究也是精确有效的。最后,我们还分析了三维空腔内涡的结构,即当空腔长宽高比例或者雷诺数(Re)发生变化时,涡的结构及坐标也会相应地发生变化,并且当Re大于某个临界值时,三维空腔内二级涡的附属涡的对称性也被发现了,并且我们观察到的附属涡结构只会出现在深空腔中,不会出现在方腔中。