非结构网格NS方程并行计算研究及其在复杂流动中应用

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本文采用格心格式的有限体积法离散Navier-Stokes方程,分别将NND格式和对流迎风分裂格式(AUSM)用于非结构网格的计算中。采用NND格式计算了钱塘江涌潮的形成、发展和消失过程。通过采用合适的通量计算方法实现了粘性流动的计算,并且将二方程的κ-ε和κ-ω湍流模式用于非结构网格上的湍流计算中。 文中通过分区和映射两步策略实现并行计算。首先应用重复惯性二分算法(RIB)实现网格的分区,然后根据网格分区之间的相邻关系采用带宽减缩算法调整分区的排列顺序,使得表达分区之间关系的相邻矩阵的带宽最小。提出了通讯矩阵的概念,通过构造通讯流水线实现各个分区之间的最优通讯。 本文采用非结构网格的分区并行策略,将串行的Navier-Stokes方程求解程序改为并行程序,实现了非结构网格Navier-Stokes方程的并行求解。采用一系列的算例验证了本文给出的数值方法在处理无粘、层流和湍流流动方面的正确性和有效性,并将它应用于具有复杂几何形状的三段翼型和四段翼型的计算中,计算结果与实验值吻合的较好,说明本文给出的数值算法能够用于复杂的流动的计算。 采用本文给出的方法研究了并排三圆柱绕流问题。计算了雷诺数Re=200,多个间距下的流动情况,并与实验进行了比较。根据间距的不同,本文对流动模态进行了详细的分类,发现该流动主要有六种流动模态:(1)T/d≤1.125:单一钝体绕流模态;(2)1.125<T/d<1.50:非对称的偏向流动模态;(3)1.5≤T/d≤2.0:对称偏向流动模态;(4)2.25≤T/d≤2.50:同步涡脱落模态;(5)2.75≤T/d≤6.0:调幅涡脱落模态;(6)T/d>6.0:互不干扰的涡脱落模态。本文首次观察到了调幅涡脱落模态,该模态的主要特征有一个很低的频率。我们认为由于三个圆柱的涡脱落频率的不同导致了这种模态的出现。对T/d≥2.75时的流动进行的细致研究得出:当间距T/d=2.75出现调幅的涡脱落模态,并且随着间距的增加低频分量的频率先增加,在T/d=3.25达到最大值,然后再减小。这个调幅涡脱落模态的发现具有重要的工程意义。由于工程结构的固有频率都比较低,因此要尽量避免出现与工程结构的固有频率比较接近的调幅涡脱落模态,以避免产生共振,导致结构的破坏。
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