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超大规模结构网格CFD数值模拟的初步研究

航空学报 2024年

作者：洪俊武李伟岳皓孟德虹孙岩中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所

本文基于国家数值风洞（NNW）系统的流固耦合模拟软件平台NNW-FSI，系统性地提出了解决超大规模结构网格生成的重构加密方法，以及基于多重网格粗化技术的壁面距离搜索、重叠网格贡献单元搜索和拼接网格拼接单元搜索算法，并基于同构系... 详细信息

本文基于国家数值风洞（NNW）系统的流固耦合模拟软件平台NNW-FSI，系统性地提出了解决超大规模结构网格生成的重构加密方法，以及基于多重网格粗化技术的壁面距离搜索、重叠网格贡献单元搜索和拼接网格拼接单元搜索算法，并基于同构系统的纯MPI方法和MPI+OpenMP混合并行方法，基于异构系统的MPI+OpenACC混合并行方法，开发了超大规模结构网格CFD数值模拟的前置网格生成模块、流场求解模块和后置显示模块。在国产大型同构和异构集群系统上，实现了百亿级超大规模结构网格在百万核上的CFD数值模拟，取得了良好的并行效率。数值结果表明，本文的方法取得了良好的网格收敛性、多核一致性和高精度的模拟结果，为下一步的工作展开打下了良好基础。

关键词：并行计算结构网格数值模拟

非均匀结构网格上MUSCL和WENO格式的精度

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气体物理 2024年第3期9卷 66-76页

作者：刘君刘瑜宁波大学机械与力学学院浙江宁波315211

基于一维均匀网格条件下构造的差分格式,在实际应用中须推广到非均匀或者曲线网格上,坐标变换过程引入几何诱导误差。目前常用收敛解误差随着网格细化变化的精度测试方法评估差分格式的精度。在二维柱坐标均匀网格上,采用1阶迎风、2阶MU... 详细信息

基于一维均匀网格条件下构造的差分格式,在实际应用中须推广到非均匀或者曲线网格上,坐标变换过程引入几何诱导误差。目前常用收敛解误差随着网格细化变化的精度测试方法评估差分格式的精度。在二维柱坐标均匀网格上,采用1阶迎风、2阶MUSCL和5阶WENO计算流场参数为常数的自由流问题,按照精度测试方法比较收敛曲线斜率,发现1阶迎风的网格收敛精度是2阶的,5阶WENO的网格收敛精度不到1阶。理论分析表明,这种精度测试方法与差分格式精度定义不等价,而且所采用的数据无法反映差分格式的固有缺陷,因此,不能用来作为差分格式精度评价指标。很多研究WENO的文献经常模拟双Mach反射问题、二维Riemann问题等经典算例,把接触间断是否演变成不稳定涡结构作为特征,理论上可以证明涡结构是非物理现象,因此用是否出现涡结构作为算法高精度的论据并不合适。

关键词：差分格式精度测试结构网格 WENO MUSCL

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结构网格方法对高升力构型的应用研究

空气动力学学报 2013年第1期31卷 75-81页

作者：洪俊武王运涛庞宇飞孟德虹中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室四川绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力学研究所四川绵阳621000

采用"亚跨超CFD软件平台"(TRIP)数值模拟了梯形翼全展长与半展长高升力构型的复杂流场,并与试验做了对比分析。对应风洞试验是在NASA Langley 14×22英尺亚声速风洞(FST)和NASA Ames 12英尺增压风洞(PWT)中完成的。计算中采用一方程SA... 详细信息

采用"亚跨超CFD软件平台"(TRIP)数值模拟了梯形翼全展长与半展长高升力构型的复杂流场,并与试验做了对比分析。对应风洞试验是在NASA Langley 14×22英尺亚声速风洞(FST)和NASA Ames 12英尺增压风洞(PWT)中完成的。计算中采用一方程SA湍流模型和MUSCL-ROE格式,并综合运用对接/重叠/拼接网格技术,数值模拟了两种高升力构型的气动特性,给出了典型站位的压力分布,并对比研究了不同结构网格技术对此类高升力构型的计算差异。研究表明,与修正后的试验数据相比,数值模拟得到的气动力系数和典型剖面的压力分布均与试验结果吻合良好。

关键词：结构网格高升力构型气动特性压力分布

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基于图剖分的多块结构网格负载平衡方法

航空学报 2017年第5期38卷 72-81页

作者：刘宏康阎超林博希赵雅甜北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100083

负载平衡是影响并行计算性能的重要因素。针对多块结构网格,给出了一种改进的多层次图剖分负载平衡方法。该方法设计了新的网格剖分算法,采用改进的子块分裂方法与图剖分算法的循环调用实现结构对接网格剖分,并通过建立不同物体重叠网... 详细信息

负载平衡是影响并行计算性能的重要因素。针对多块结构网格,给出了一种改进的多层次图剖分负载平衡方法。该方法设计了新的网格剖分算法,采用改进的子块分裂方法与图剖分算法的循环调用实现结构对接网格剖分,并通过建立不同物体重叠网格间的连接关系,实现了结构重叠网格的负载平衡。采用2个典型算例对方法进行了对比验证,数值结果表明,子块分裂方法对剖分结果具有重要影响,采用循环调用算法及改进的子块分裂方法能有效地实现计算负载均衡及通信量优化,同时显著减少了网格块数及因虚网格导致的内存需求,有利于提高并行效率。该负载平衡方法与网格拓扑无关,适用于多块结构对接网格及重叠网格,且整体型剖分方式对于多块结构重叠网格具有更好的剖分效果。

关键词：计算流体力学并行计算结构网格负载平衡图剖分

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基于结构网格的溃坝水流数值模拟

水科学进展 2017年第6期28卷 868-878页

作者：曹引冶运涛梁犁丽蒋云钟赵红莉王浩严登明东华大学环境科学与工程学院国家环境保护纺织工业污染防治工程技术中心上海201620 中国水利水电科学研究院北京100038

针对溃坝水流数值模拟面临的复杂地形和不规则边界等问题,基于结构网格建立了适应复杂地形和不规则边界的溃坝水流数值模拟有限体积模型(Hydro M2D)。模型基于具有守恒特性的二维浅水方程,利用HLLC格式的近似Riemann解计算网格界面通量... 详细信息

针对溃坝水流数值模拟面临的复杂地形和不规则边界等问题,基于结构网格建立了适应复杂地形和不规则边界的溃坝水流数值模拟有限体积模型(Hydro M2D)。模型基于具有守恒特性的二维浅水方程,利用HLLC格式的近似Riemann解计算网格界面通量,利用MUSCL-Hancock法不断向前积分,使模型在时空上具有二阶精度;对源项进行离散处理确保模型的稳定性;模型引入有效干湿边界和不规则地形边界处理方法,准确模拟了干湿单元的动态交替和复杂边界上的水流特性。最后分别利用水槽试验、物理模型和实际算例对模型进行验证。结果表明,该模型对不同情景下的溃坝洪水模拟结果和实测资料以及现有模型模拟结果具有较高的一致性,模拟精度较高,稳定性较好,具有推广应用价值。

关键词：复杂边界结构网格浅水方程干湿界面有限体积法

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复杂边界几何体的结构网格生成方法

计算机辅助设计与图形学学报 2013年第5期25卷 724-730页

作者：代星崔汉国沈意平罗欣海军工程大学动力工程学院机械工程系武汉430033 华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室武汉430074

高质量的结构网格能够有效地提高有限元分析的精度.针对受限于结构网格节点分布的特殊要求,使当前的结构网格生成方法无法直接应用于边界复杂的几何体这一问题,提出结构网格生成方法.对于边界复杂的多边形区域,依据边界顶点分类,在计算... 详细信息

高质量的结构网格能够有效地提高有限元分析的精度.针对受限于结构网格节点分布的特殊要求,使当前的结构网格生成方法无法直接应用于边界复杂的几何体这一问题,提出结构网格生成方法.对于边界复杂的多边形区域,依据边界顶点分类,在计算空间内将边界简化为规则形状,在简化的多边形区域内进行分割并填充结构网格,再将其映射回原区域;对于边界特殊的三角形、圆形区域,依据边界节点分布计算分割线,将原区域分割为简单的四边形区域组合,再对各四边形区域分别进行结构网格填充;对于不同区域网格的连接,将区域边界相连并设置棱边方向,通过转化相应的棱边方向矩阵得出棱边方向闭合的多边形边界,在多边形边界内填充结构网格形成不同区域网格间的有效过渡.实例验证结果表明,该方法稳定、高效,能够解决复杂边界几何体的结构网格划分问题.

关键词：有限元分析网格自动划分结构网格网格映射

径向基/超限插值结构网格运动方法中的变形一致性问题

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计算机辅助设计与图形学学报 2018年第2期30卷 354-359,366页

作者：孙岩孟德虹王运涛杨小川中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所绵阳621000

针对径向基函数插值和超限插值的结构网格运动方法(RBF_TFI)中变形一致性问题引起的空间网格棱线扭曲和网格单元交叉现象进行深入分析,并依据分析结果提出一种改进的RBF_TFI结构网格运动方`法.首先基于HIRENASD机翼模型计算网格绕y轴旋... 详细信息

针对径向基函数插值和超限插值的结构网格运动方法(RBF_TFI)中变形一致性问题引起的空间网格棱线扭曲和网格单元交叉现象进行深入分析,并依据分析结果提出一种改进的RBF_TFI结构网格运动方`法.首先基于HIRENASD机翼模型计算网格绕y轴旋转30°的算例,从变形网格质量、棱线交叉点位移误差与空间棱线扭曲等方面分析了不同基点选择方案中变形一致性问题产生的原因;然后将与物面相连的空间棱线定义为边界棱线,并采用三次样条插值的方式更新边界棱线上网格点的坐标.使用HIRENASD算例对文中方法的效果进行了验证,结果表明,该方法能够消除变形一致性问题引起的棱线扭曲现象,有效地避免变形网格出现交叉和产生负体积单元.

关键词：径向基函数插值超限插值结构网格变形一致性 HIRENASD机翼边界棱线