旋转流体的并行计算与分析

作     者：赵运业 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院) 

学位级别：硕士

导师姓名：陈荣亮;刘嘉

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 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：旋转流体 任意网格界面法 多重参考坐标系法 并行计算 湍流模型 

摘      要：旋转流体是一种用途广泛的特殊流体,其广泛存在于高端制造、环境工程、航空航天和医疗器械等领域,常见的应用场景包括:风能发电机、搅拌机、人工心脏泵和航空发动机等场景。旋转流体的高精度数值模拟由于同时涉及湍流、相对运动、移动网格等技术,是一个极具挑战的课题。本文对旋转流体力学的求解算法、湍流模型和旋转计算方法进行了详细研究,通过多种不同应用场景下的旋转流体力学算例,探究了不同求解算法的计算准确性,对比了不同的湍流模型对旋转流体的涡流分辨率,并针对大规模网格量下的多种求解算法的并行效率进行了详细研究。本文首先研究了旋转流体力学的高性能数值模拟算法。基于一般形式N-S方程详细研究了不同旋转场景下求解算法,包括PISO、PIMPLE和SIMPLE求解算法;研究了用于湍流计算的不同湍流模型;研究了旋转流体计算的两种旋转方法,包括用于稳态计算的多重参考系法和用于瞬态计算的任意网格界面法。为了验证算法的准确性,我们对两个标准测试案例进行了详细的计算分析。本文利用研发的高性能算法对一个双转子垂直型风能发电机的空气动力学进行了详细的计算分析。该计算详细探究了多个RANS和LES湍流模型对湍流涡流的捕捉能力,并对RANS方法下的三种湍流子模型的湍流涡流捕捉精度进行了详细分析。另外,我们还对各个湍流模型和任意网格界面法的并行可扩展性和效率进行了详细的研究。数值结果表明,随着计算核心数增加,任意网格界面法成为限制并行效率的主要因素,且不同湍流模型的并行效率也有较大差别。本文最后将旋转流体力学高性能求解算法应用于一个具体的工业产品的优化设计中—人工心脏泵的流体力学优化设计。利用上述算法,通过大量的流体力学模拟分析,对人工心脏泵的转子几何形状进行了优化设计,优化后的模型的综合力学性能相比原模型有较大提升,其中流量提升了36本文的创新点主要有:(1)完成了旋转流体力学高精度快速模拟系统的研发,并详细研究旋转流体力学的高性能数值模拟算法,且利用标准测试案例验证了算法的准确性;(2)利用该算法,完成了一个多旋翼垂直轴风能发电机的空气动力学详细计算分析,及对一个真实人工心脏泵转子的形状进行了详细流体力学优化设计,获得了一种综合力学性能相比原始模型更优的几何形状。