N-S方程并行算法研究及在弹箭流场中的应用

作     者：林晓宏 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王学德

授予年度：2009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：N-S方程 湍流模型 并行计算 MPI 

摘      要：随着计算流体力学(CFD)的飞速发展,数值模拟已在工程实际中发挥越来越大的作用,但对于复杂外形粘性流动的数值计算往往需要很高的计算内存和速度,仅仅通过提高单机性能和串行计算技术已难以胜任三维复杂流场的数值模拟,并行计算已成为唯一能大幅提高计算效率的手段,是目前CFD技术的潮流和趋势。因此丌展粘性流动的并行计算具有重要的应用价值。本文主要目的是基于CLUSTER集群并行体系结构和消息传递库MPI并行环境研究Navier-Stokes方程并行算法,致力于发展一套适用于复杂粘性流场模拟的通用并行计算软件。其主要研究内容包括以下几方面: 首先,讨论了粘性结构网格的生成方法。为满足复杂粘性流场的数值计算,本文采用分块对接方法生成全流场的粘性网格。文中详细讨论了不同拓扑结构的设计方法及各种混合类型网格的生成思想,同时给出了典型外形粘性网格示例。 其次,对可压缩N-S方程串行算法进行了研究。空间离散采用有限体积方法,对流通量项采用Van Leer+AUSM耦合的通量分裂格式,粘性项采用中心格式,时间积分采用五步Runge-Kutta法,并利用当地时间步长加速解的收敛。在计算紊流流动时利用Spalart-Allmaras一方程模型。 接下来,在串行程序基础上研究了N-S方程的并行算法,通过采用物理区域分割的思想进行并行算法的设计。在编程上采用单控制流多数据流(SPMD)模型,使用CLUSTER集群并行体系结构并采用MPI(Message Passing Interface)作为数据通讯的方式,增强算法的通用性。 最后,对弹箭流场进行了并行数值模拟。通过对超声速下某弹丸和某制导火箭弹的粘性绕流模拟,以及与实验结果的对比,验证了并行程序的正确性,数值实验同时表明所设计的并行算法可以取得较高的计算效率。