發(fā)布時間：2020-07-04 22:21

【摘要】：在科學(xué)研究、工程應(yīng)用和日常生活中,流固耦合現(xiàn)象隨處可見。在這一過程中,流態(tài)取決于結(jié)構(gòu)體的形狀及其運動,反過來結(jié)構(gòu)體的運動和變形又受制于流體施加的力。科研和工程領(lǐng)域急需能從數(shù)學(xué)上準(zhǔn)確闡明流固耦合過程所有細節(jié)的方法。由于流固耦合過程內(nèi)蘊的非線性和非定常性等原因,使得采用經(jīng)典方法分析存在諸多困難。與此相反,流固耦合的數(shù)值模型在近十年間取得了飛速發(fā)展,特別的,作為當(dāng)下研究的熱點,浸沒邊界-格子Boltzmann(IB-LB)方法被證明是研究流固耦合現(xiàn)象行之有效的途徑。浸沒邊界-格子Boltzmann法的研究已經(jīng)持續(xù)了十多載,在提出該方法之初的許多弊端都已經(jīng)有效解決,比如速度無滑移邊界無法準(zhǔn)確模擬等。該方法便于實現(xiàn),編程簡單,健壯性好等優(yōu)點使之成為時下的研究熱點。然而時至今日,在將IB-LB方法應(yīng)用于工程實際時,暴露出如下三個問題:1.計算大規(guī)模復(fù)雜流固耦合問題效率低下,計算通常持續(xù)數(shù)周之久;2.模擬高剛度彈性結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差;3.模擬傳熱流固耦合問題時,在浸沒邊界處存在溫度誤差,致使邊界模擬精度下降。上述問題限制了 IB-LB方法成功應(yīng)用于工程實際。為了發(fā)展現(xiàn)有IB-LB方法,并將改進后方法推向水電工程應(yīng)用,本文主要圍繞如下幾個方面展開工作:1.發(fā)展現(xiàn)有IB-LB方法,解決其穩(wěn)定性差和邊界模擬精度低的缺點。采用傳統(tǒng)IB-LB方法模擬溫度場時,在浸沒邊界處會出現(xiàn)溫度誤差。為了消除溫度誤差、提高溫度邊界的模擬精度,提出一種基于迭代修正熱源的IB-LB方法。本模型基于Cheng的源項引入方式,熱源被視為未知量而采用迭代修正迫使溫度邊界條件精確滿足。經(jīng)算例驗證,本方法具有一階空間收斂性,且當(dāng)LB松弛時間位于特定范圍時,溫度誤差能得到有效消除。結(jié)合二維平板間的熱傳導(dǎo)算例,通過理論分析,確定了溫度誤差與LB松弛時間的關(guān)系式,揭示了溫度誤差的來源,且發(fā)現(xiàn)當(dāng)松弛時間ι1.624時,本方法精度高于直接熱源法。此外,顯式或半隱式離散的IB-LB方法穩(wěn)定性較差,特別在計算高剛度彈性結(jié)構(gòu)時問題突出。為了提高IB-LB方法的穩(wěn)定性,本文針對IB-LB的插值方程提出一種全隱離散格式。其中外力項采用Cheng所提方法引入,且由罰方法來處理邊界質(zhì)量。典型算例顯示,相對于傳統(tǒng)顯格式,本方法能將最大時間步長提高200倍,且彈性體的最大抗彎剛度能提高40-200 倍。2.提出了一種在GPU平臺上并行IB-LB方法的策略。在格子Boltzmann(LB)方法中,對于遷移步驟所產(chǎn)生的內(nèi)存訪問的非對齊問題,采用一維線程塊和共享存儲器解決。在浸沒邊界(IB)法中,所有子過程,包括速度插值、邊界力計算和作用力擴散,采用不同的GPU核函數(shù)實現(xiàn)。另外為了充分利用數(shù)據(jù)并行性和保證數(shù)據(jù)訪問的合并行為,使用一維數(shù)組存儲浸沒邊界信息。典型算例顯示,所有GPU核函數(shù)的帶寬利用率均達到60%以上,且相對于CPU串行程序取得百倍加速比。3.在前述GPU并行基礎(chǔ)上,提出一維-三維耦合的IB-LB河庫瞬變流模擬方法,克服了傳統(tǒng)斷波法和數(shù)值解一維/二維淺水方程難以考慮涌浪橫/垂向運動、機組進水口三維流動和實際三維地形的缺點。其中,狹長河道由一維淺水LB模型模擬,而三維流動顯著區(qū)域則用三維自由液面LB方法模擬。實際河床地形從GIS軟件提取,且地形邊界條件由IB方法實現(xiàn)。模擬了某水利樞紐大江機組甩負荷、二江機組等流量運行時上水庫的涌浪過程。得到了水庫水面線、各部位水位的歷時過程,確定了最大、最小涌浪高度及其衰減規(guī)律。由頻譜分析得到的水位波動各主頻成分與由物理規(guī)律的分析結(jié)果一致,說明本模型計算實際河床式電站瞬變流效果較好。4.為了將經(jīng)GPU加速的IB-LB方法應(yīng)用于水力機械瞬變領(lǐng)域,提出了一種動邊界處理方法,并實現(xiàn)了貫流式水輪機甩負荷過渡過程的模擬。其中,水輪機和活動導(dǎo)葉由基于剛體歐拉角的IB方法處理,而蝸殼和尾水管則由LB高效的曲面邊界格式實現(xiàn)。計算得到了轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速、力矩、軸向水推力和管道內(nèi)壓力的歷時曲線,并由此確定了最大轉(zhuǎn)速上升率和最大轉(zhuǎn)速上升時間等參數(shù),證明了本方法在水力機械數(shù)值仿真領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景,為今后計算實際工況過渡過程奠定基礎(chǔ)。本文從穩(wěn)定性、邊界模擬精度和計算效率三個方面發(fā)展現(xiàn)有IB-LB方法,突破IB-LB方法的應(yīng)用瓶頸,并將改進后方法首次應(yīng)用于水電工程流場的計算。在現(xiàn)有成果基礎(chǔ)上,今后的研究重點可以從高雷諾數(shù)湍流模型入手,解決采用浸沒邊界法模擬湍流問題的難題,推進IB-LB廣泛服務(wù)于實際工程問題。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TV734
【圖文】：

Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ邋Ｍｏｄｅｌ邋Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ邋Ｍｏｄｅｌ逡逑圖１．１串行和并行程序執(zhí)行結(jié)構(gòu)的區(qū)別逡逑以往絕大多數(shù)的代碼被寫成順序執(zhí)行的形式［２７］，也就是說代碼按照其出現(xiàn)的２逡逑

司生產(chǎn)的ＧｅＦｏｒｃｅ邋ＧＴＸ邋２８０顯卡，這一顯卡配備了邋２４０個計算核心，其中每個核心是逡逑多線程、順序單指令執(zhí)行的。自２００３年來，眾核路線的產(chǎn)品，特別是ＧＰＵ引領(lǐng)了浮逡逑點運算性能的競賽，而圖１．２很好地說明了這一情況。即便在多核ＣＰＵ的性能提升逡逑逐漸放緩的今天，由ＧＰＵ帶領(lǐng)的眾核產(chǎn)品仍能取得指數(shù)倍的上升。到２０１７年，市面逡逑上最先進的ＧＰＵ和ＣＰＵ的單精度峰值浮點運算性能之比是１０。如此大的性能差距逡逑來自于兩種計算核心設(shè)計理念的差別。如圖１．３所示，ＣＰＵ的設(shè)計是以最優(yōu)化循序代逡逑碼的執(zhí)行為目標(biāo)，其上復(fù)雜的邏輯控制單元能夠讓線程內(nèi)部指令按照并行或亂序的方逡逑式執(zhí)行。更重要的是，大片芯片面積被用來布置緩存和邏輯控制單元，從而能夠顯著逡逑減少指令執(zhí)行和內(nèi)存訪問所產(chǎn)生的延遲。需要注意的是，不管是復(fù)雜的邏輯控制單元逡逑還是緩存都不能提高峰值運算速度。反之，將絕大多數(shù)芯片面積貢獻給算數(shù)邏輯單元逡逑的ＧＰＵ顯然能夠支持更高的計算速度。逡逑１２０００邋－Ｉ￣，一￣■￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣逡逑＾邐丨Ｍ中yU哎逡逑２邋１００００＇邐一ａ－邋（；ｉ

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 夏林生;程永光;蔡芳;張曉曦;;水泵水輪機四象限工作區(qū)流動特性數(shù)值分析[J];水利學(xué)報;2015年07期

2 張克鵬;;基于PowerFlow的重型載貨汽車前擾流板氣動特性分析[J];汽車技術(shù);2014年10期

3 夏林生;程永光;張曉曦;張春澤;;燈泡式水輪機飛逸過渡過程3維CFD模擬[J];四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版);2014年05期

4 楊桀彬;楊建東;王超;;基于空間曲面的水泵水輪機機組數(shù)學(xué)模型及仿真[J];水力發(fā)電學(xué)報;2013年05期

5 ;CUDA-Zero:a framework for porting shared memory GPU applications to multi-GPUs[J];Science China(Information Sciences);2012年03期

6 楊建東;趙琨;李玲;吳鵬;;淺析俄羅斯薩揚-舒申斯克水電站7號和9號機組事故原因[J];水力發(fā)電學(xué)報;2011年04期

7 王國秉;;關(guān)于俄羅斯薩揚·舒申斯克水電站事故的思考[J];山西水利科技;2010年02期

8 周大慶;吳玉林;劉樹紅;;軸流式水輪機模型飛逸過程三維湍流數(shù)值模擬[J];水利學(xué)報;2010年02期

9 李金偉;劉樹紅;周大慶;吳玉林;;混流式水輪機飛逸暫態(tài)過程的三維非定常湍流數(shù)值模擬[J];水力發(fā)電學(xué)報;2009年01期

10 劉延澤;常近時;;燈泡貫流式水輪機裝置甩負荷過渡過程基于內(nèi)特性解析理論的數(shù)值計算方法[J];中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報;2008年01期

本文編號：2741677