【摘要】：吸氣式高超聲速技術(shù)是指飛行馬赫數(shù)大于5、以吸氣式發(fā)動機及其組合發(fā)動機為動力、在大氣層和跨大氣層中實現(xiàn)高超聲速遠程飛行的飛行器技術(shù)。吸氣式高超聲速技術(shù)的核心是超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)和機體／推進一體化飛行器技術(shù)。吸氣式高超聲速飛行包含許多復(fù)雜的物理、化學(xué)現(xiàn)象，大幅度增加了地面試驗的費用、周期和難度。隨著計算技術(shù)的發(fā)展，計算流體力學(xué)(CFD)可以在相對較短的時間內(nèi)完成流動參數(shù)的分析研究，提供流場的詳細特征，彌補風(fēng)洞試驗的局限性，因此在超燃沖壓發(fā)動機的設(shè)計和性能研究方面得到了廣泛的應(yīng)用。與此同時，超燃沖壓發(fā)動機流場模擬對計算流體力學(xué)也提出了更高的要求，超燃沖壓發(fā)動機流場模擬涉及到各種組分方程、化學(xué)非平衡效應(yīng)、湍流方程、輸運系數(shù)的計算等，其計算量相當大，一般都需要在高性能并行計算機系統(tǒng)上進行大規(guī)模并行計算。 實際的CFD并行計算必須考慮串并行結(jié)果是否一致、大規(guī)模并行時的并行效率以及并行可擴展性等問題，在功能擴充方面要求CFD計算支持多種物理化學(xué)模型、差分格式和隱式求解方法并能適用于不同的網(wǎng)格體系。本文主要從以上幾個方面對超燃沖壓發(fā)動機流場模擬的CFD并行計算進行了研究，針對每個方面均提出了創(chuàng)新的見解，開發(fā)了主要應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動機流場模擬的面向化學(xué)非平衡流的三維大規(guī)模并行軟件平臺AHL3D。 在大規(guī)模并行技術(shù)方面，本文提出了一種靜態(tài)負載平衡策略，采用一維優(yōu)先的規(guī)則分塊算法和基于自動重分塊的不規(guī)則分塊算法分別處理大規(guī)模和中小規(guī)模并行的問題。為保證復(fù)雜計算區(qū)域問題的通信效率和正確性，將通信分為三步：面通信、物理邊界面棱通信、通信邊界面棱通信，保證了通信時點對的對應(yīng)關(guān)系，避免了復(fù)雜拓撲結(jié)構(gòu)時某些特殊網(wǎng)格點的重復(fù)通信和通信的奇異性。 將流水線并行技術(shù)與CFD相結(jié)合，提出了一種基于流水關(guān)系有向圖的多維流水線并行實現(xiàn)算法，根據(jù)各求解子域的鄰接幾何關(guān)系和變量依賴關(guān)系分析，自動判斷流水線并行是否可行，自動確定流水方向和流水維數(shù)，實現(xiàn)了復(fù)雜計算區(qū)域問題不同并行規(guī)模串并行結(jié)果的完全一致。 實現(xiàn)了對接網(wǎng)格、錯位拼接網(wǎng)格和重疊網(wǎng)格的多塊并行計算。提出了一種“迷路算法”應(yīng)用于重疊網(wǎng)格“挖洞”，解決了其它算法難以處理凹型包絡(luò)面的問題，算法的健壯性較好，實現(xiàn)簡單，，而且算法計算復(fù)雜度低，計算效率高。在多層次嵌套重疊情況下的通信時序控制方面，提出了重疊關(guān)系有向圖避免通信等待和重復(fù)插值。 在大規(guī)模線性代數(shù)方程組的迭代求解方法上，提供了三種Krylov子空間迭代
【圖文】：

只要重疊包絡(luò)面封閉，不論該包絡(luò)面外形如何復(fù)雜，迷路算法都可以準確地得到包絡(luò)面內(nèi)外點。因三維算例不易直觀顯示，所以采用一個較復(fù)雜的二維外形作為示例。如圖4.7所示，該正方形網(wǎng)格為主網(wǎng)格，有兩個外形較為復(fù)雜的從網(wǎng)格，圖4.8的陰影部分即為得到的洞內(nèi)點。 1015圖4.7二維算例重疊網(wǎng)格示意圖圖4.8二維算例對應(yīng)“挖洞”結(jié)果4.7.2迷路法效率測試在“挖洞”算法的處理效率方面，我們在主頻為3G的 hitelXeon計算節(jié)點上實測了不同算例迷路算法和整個“挖洞”過程的墻上時間，具體結(jié)果如下�？梢钥闯觯摗巴诙础彼惴▽τ诖缶W(wǎng)格數(shù)據(jù)量、多層次嵌套重疊和復(fù)雜組合體問題仍能得到較高的效率。表4.1部分典型算例“挖洞”效率示意典型算例主網(wǎng)格數(shù)(萬)從網(wǎng)格數(shù)(萬)迷路時間(秒)挖洞時間(秒)三維凹型圓柱三維單機翼飛行器整機模型13，1518.60104.3521.63 5.9278，01 0.0030 0.0048 0.123 0.65 0.5812.054.7.3找重方法測試我們在主頻為3G的 hitelXcon計算節(jié)點上進行了正確性驗證和時間效率測試，正確性驗證以最終的找重結(jié)果文件為準。因kd樹搜索時可以判斷一個點落在兩個第73頁

該正方形網(wǎng)格為主網(wǎng)格，有兩個外形較為復(fù)雜的從網(wǎng)格，圖4.8的陰影部分即為得到的洞內(nèi)點。 1015圖4.7二維算例重疊網(wǎng)格示意圖圖4.8二維算例對應(yīng)“挖洞”結(jié)果4.7.2迷路法效率測試在“挖洞”算法的處理效率方面，我們在主頻為3G的 hitelXeon計算節(jié)點上實測了不同算例迷路算法和整個“挖洞”過程的墻上時間，具體結(jié)果如下�？梢钥闯�，該“挖洞”算法對于大網(wǎng)格數(shù)據(jù)量、多層次嵌套重疊和復(fù)雜組合體問題仍能得到較高的效率。表4.1部分典型算例“挖洞”效率示意典型算例主網(wǎng)格數(shù)(萬)從網(wǎng)格數(shù)(萬)迷路時間(秒)挖洞時間(秒)三維凹型圓柱三維單機翼飛行器整機模型13，1518.60104.3521.63 5.9278，01 0.0030 0.0048 0.123 0.65 0.5812.054.7.3找重方法測試我們在主頻為3G的 hitelXcon計算節(jié)點上進行了正確性驗證和時間效率測試，正確性驗證以最終的找重結(jié)果文件為準。因kd樹搜索時可以判斷一個點落在兩個第73頁
【學(xué)位授予單位】：解放軍信息工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2006
【分類號】：TP338.6

【引證文獻】

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1 劉鑫;陸林生;陳德訓(xùn);;非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并行計算預(yù)處理方法研究[J];計算機科學(xué);2012年03期

2 劉鑫;陸林生;;拼接網(wǎng)格通量守恒插值算法研究[J];計算機應(yīng)用與軟件;2012年02期

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1 李義進;燃氣輪機全通流數(shù)值模擬研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2012年

本文編號：2647096