基于十亿亿次国产超算系统的流体力学软件众核适应性研究

国产众核处理器提供了两种移植难度相差较大的众核级并行编程语言。不同流体力学软件对众核架构适应性的不同,决定了它们在移植优化过程中适合于不同的编程语言。首先介绍了国产众核处理器的体系结构、编程模型和并行编程语言;然后分析了流体力学软件应用于国产众核处理器存在的挑战性问题,包括隐格式带来的数据相关性、大型稀疏矩阵线性代数方程组求解、多重网格方法和非结构网格等,这些问题限制了软件对众核架构的适应性。文中针对这些难题分别提出了创新的优化算法,并通过理论分析和实验得到了几种典型流体力学软件的众核适应性研究结论。实践证明,多数流体力学软件对国产众核处理器的适应性良好,能够采用OpenACC编译器自动移植,并扩展到百万核并行规模,能保持较高的并行效率。

基于OPS的计算流体力学软件多平台自动并行

当前高性能计算机体系结构呈现多样性特征,给并行应用软件开发带来巨大挑战。采用领域特定语言OPS对高阶精度计算流体力学软件HNSC进行面向多平台的并行化,使用OPS API实现了代码的重构,基于OPS前后端自动生成了纯MPI、OpenMP、MPI+OpenMP和MPI+CUDA版本的可执行程序。在一个配有2块Intel Xeon CPU E5-2660 V3 CPU和1块NVIDIA Tesla K80 GPU的服务器上的性能测试表明,基于OPS自动生成的并行代码性能与手工并行代码的性能可比甚至更优,并且OPS自动生成的GPU并行代码相对于其CPU并行代码有明显的性能加速。测试结果说明,使用OPS等领域特定语言进行面向多平台的计算流体力学并行软件开发是一种可行且高效的途径。

计算流体力学软件在火电厂SCR脱硝技术中的应用

以某600MW电厂选择性催化还原(SCR)脱硝装置为例,采用计算流体力学(CFD)软件Ansys Fluent进行SCR脱硝系统的流场模拟工作,展示了流场模拟技术的应用情况,指出了流场模拟对于SCR脱硝技术领域的重要意义及未来发展方向。

二维非定常流体力学软件的向量化

本文讨论了二维非定常流体力学数值计算中的九点差分格式在向量机KJ8920上的部分及全部向量化算法,并介绍了一类典型的含转移语句的DO 循环的向量化方法。

基于计算流体力学软件的汽车风洞流场及其边界层控制的研究

本文叙述了以计算流体力学软件PHOENICS为工具,以同济大学TJ-2号汽车模型风洞为原型在计算机中建立虚拟风洞以及边界层控制装置,进行流体力学仿真计算,分析了采用控制装置后边界层的变化。为汽车风洞及相关设备的开发提出了一种省时、经济、直观的方法。

基于计算流体力学仿真软件的实践教学应用

以计算流体力学仿真软件在《流体力学与传热学基础》课程的本科教学为例,探索实现理论与实践相结合的教学方法 ,进一步提高本科教学质量。依据流体力学与传热学的理论和实践特点,在课堂讲授中侧重于核心知识,力求结合工程实例巩固基础知识,激发学生学习该课程的兴趣。建立计算流体力学仿真软件的上机体系,注重实践教学,培养学生在工程应用中的使用软件能力。

计算流体力学(CFD)软件在地铁环控设计方案的应用研究现状

随着城市地铁的大规模建设,地铁车站环境和地铁火灾引起研究人员极大关注。营造良好的地铁环境目的不仅仅是提供一个安全、舒适的乘车环境,更能节省能源,降低建设费用与运行成本,由此计算流体力学软件优化地铁环控设计得到广泛的应用。通过介绍4款在地铁环控系统中应用比较广泛的计算流体力学软件以及研究现状,指出目前存在的不足,并提出了适当的建议。

HyperFLOW 软件数值模拟TrapWing 高升力外形

采用High-Lift研讨会提供的梯形翼外形(TrapWing),利用自主研发的基于结构、非结构网格的通用CFD软件HyperFLOW进行了数值计算,以评估其对复杂外形低速流的模拟能力。分别采用了三套不同拓扑结构的计算网格,包括两套非结构/混合网格和一套多块结构网格,每套网格又分为粗、中、细三种密度不同的网格数量以考察其网格收敛性。利用Richardson插值法,对计算结果开展了可信度分析。结果表明,不管是结构网格还是非结构网格,HyperFLOW均建立了可接受的可信度;对于高升力外形数值模拟,SA湍流模型要比SST湍流模型模拟的更准确;在失速迎角附近,现有的二阶精度解算器仍需持续改进。

国家数值风洞(NNW)通用软件同构混合求解器设计

针对未来复杂计算流体力学模拟的需求,在国家数值风洞“风雷(PHengLEI)”软件中,针对流场求解器设计了区域混合计算策略,即在不同类型的网格上运行不同的求解器,实现区域混合模拟,采用典型算例进行了验证。与传统多求解器松耦合的“异构”模式不同,风雷软件中设计了“同构”模式的混合求解器。“同构”模式的混合求解器基本思想是:计算域由不同类型网格组成,在不同类型的网格上可运行不同类型的求解器,不同求解器之间在交界面通过数据底层交换信息,其特点是“紧耦合”。区域混合计算能够充分发挥不同类型网格、不同求解器的优点,未来也可以在不同的网格区域上加载不同学科的求解器,是面向未来多学科、多方法、多区域紧耦合模拟的关键技术。作为一种典型的混合求解方案,结构/非结构混合求解时,在结构网格上运行二阶/高阶精度结构求解器,在非结构网格上运行二阶精度非结构求解器,以实现在关键流动区域采用高质量网格、高精度方法的工程实用化目的。首先介绍混合计算所涉及的域、交界面等基本概念,然后设计混合计算所需的数据结构,以及混合计算策略。最后,通过高超声速圆柱绕流和双椭球绕流两个案例,在结构网格上运行二阶或WCNS高阶精度求解器,在非结构网格上运行二阶精度非结构求解器,验证“同构”混合计算的可行性和有效性。

管壳式换热器流体流动数值模拟研究

根据管壳式换热器的结构特点,建立管壳式换热器几何模型和数学模型,采用计算流体力学软件Fluent对管壳式换热器进行数值模拟,研究折流板缺口高度和数量对换热器压损及换热的影响,结果表明:随着折流板数量增加,压损增大,换热系数增大;随着折流板缺口高度增大,压损变小,换热系数减小。研究成果对管壳式换热器的设计、优化具有一定的参考价值。

基于Fluent仿真软件的滩地植被作用下复式河道水动力特性的精细化数值模拟

为研究浅滩植被对复式河道水动力特性的影响,了解植被作用下滩槽间水流动量交换的影响机制,利用Fluent流体力学仿真软件,选取标准的k-ε湍流模型封闭雷诺方程,对浅滩植被作用下的复式明渠内的流体运动特征进行精细化模拟,分析了不同淹没高度、不同流量条件下滩地植被对复式断面明渠的水流速度、湍流动能及断面二次流变化的影响。结果表明:受植被的影响,植物区计算主流速度的垂向分布不再呈对数分布,而呈现准S型的分布;相对无植被的工况,植物区内主流流速减小,随着滩地植被高度的增加,植物带的内部与上部区域主流速度减小,而主槽内主流流速相应增大,说明植物的存在对滩地区域的水流产生明显的阻碍作用,使断面主流向河道主槽内转移,植物的存在也对横向速度产生较强的扰动,能够促使断面二次流的形成;植物顶端附近的湍流动能变化较大,随着浅滩植被高度的增加,植被和水流交界处的湍流动能最大值也发生相应的变化,说明在植被顶端存在较大的动能交换;随着入流流量的增加,断面主流速度呈增大趋势,各测点湍流动能沿水深方向的幅值也相应增大。研究表明,Fluent流体力学仿真软件能够较好地精细化模拟滩地植被对复式河道水动力特性的影响,其计算结果可为河流防洪工程、河道浅滩整治及生态护岸等工程的实施提供科学依据。

火电厂空冷平台换热的数值模拟

本文利用计算流体力学软件对火电厂中直接空气冷凝器的换热情况进行数值模拟。并根据计算结果提出增加空冷平台最外一圈风机功率及在空冷平台下方修建挡风建筑以提高空冷平台换热效率的可行性建议。

基于CFD数值模拟的单罐真空吸鱼泵研制

为满足池塘养殖对自动化捕捞装备的迫切需求,设计了一种适合池塘使用的小型真空吸鱼泵,并利用计算流体力学软件(computer fluid dynamic, CFD)数值模拟技术研究了单罐真空吸鱼泵内部的气液两相流的流动特性,重点分析了3种不同流速(1.0、1.5、2.0 m/s)下吸鱼泵内部回流、旋涡和速度跳跃等流动特性的演化及发展规律。结果表明:数值模拟计算显示,当进鱼管道抽吸速度为1.0 m/s时,鱼体损伤率相对较低,当进鱼管道抽吸速度为1.5、2.0 m/s时,鱼体损伤率相对较高,但吸鱼速度较快;基于数值模拟计算结果,研制了一种小型单罐真空吸鱼泵,同时选用草鱼、鲤、鲫、鲢和鳙5种鱼分别进行了单独抽吸试验验证,在最优吸取条件(抽吸速度为1.0 m/s)下,吸鱼量最大可达23 t/h,吸鱼泵可实现20 s吸鱼、10 s放鱼交替循环作业,鱼体损伤率最大为2%。研究表明,本试验中设计的小型单罐真空吸鱼泵能够实现对活鱼的高效自动吸捕与转运,可为设计开发池塘养殖用高效真空吸鱼泵提供有益参考。

自膨胀气流作用下灭弧防雷装置截断电弧仿真分析与试验研究

为了解决配网线路的雷击问题,提高电力系统的防雷性能,利用＂气吹灭弧＂的方法,研制了一种能够抑制工频建弧过程的自膨胀气流灭弧防雷装置。研究了电弧路径控制、电弧突变拐点、电弧弧柱能量分段、自膨胀气流形成与灭弧机理,建立了自膨胀气流耦合工频续流电弧的数学模型,运用流体力学软件FLUENT对管道内自膨胀气流截断电弧的微观过程进行了模拟仿真,还进行了该防雷装置截断电弧试验,并借助高速摄像机捕捉了该防雷装置截断电弧的详细情况。结果表明：自膨胀气流灭弧防雷装置内部的特殊空间结构可以改变电弧发展路径,迫使电弧弧柱形成多个断点,延长后续工频电弧的暂态发展时间;自膨胀灭弧气流能在0.7 ms时间内完全熄灭电弧并抑制重燃;灭弧防雷装置内的建弧过程与灭弧过程几乎同时进行。工频续流电弧在暂态发展初期就将受到自膨胀灭弧气流的深度抑制,在电弧还未发展成熟且能量较小时会被自膨胀气流熄灭。

压水堆下腔室流量分布数值分析

建立了压水堆下腔室流场的三维数值计算模型,计算了不同环腔厚度和环腔内冷却剂速度条件下,下腔室内冷却剂的流场,分析了环腔厚度和环腔内冷却剂速度对下腔室流向堆芯的流量分布的影响。入口速度不同或环腔厚度不同,在下腔内冷却剂流动形成漩涡的位置、大小和流动速度均会发生改变,导致通过流量孔板通孔的流量分布不同。入口速度较低时,流量孔板上所有通孔的流量分布比较均匀,在平均值附近波动,流量最高的通孔小组出现在边缘处;入口速度较高时,流量明显地呈现出中心高边缘低的特点。通孔小组的流量最大值随着环腔厚度增加由孔板的中心向边缘移动。

ICP刻蚀机反应腔室气流仿真研究

感应耦合等离子体（ICP）刻蚀机反应腔室的气流分布是影响等离子体分布与刻蚀工艺均匀性的重要原因之一。使用商业软件CFD—ACE＋中的连续流体与热传递模型，对反应腔室中气流分布进行了仿真研究，讨论了不同质量流量（50—250cm^3／rain）入口条件下电极表面附近气压分布情况，同时讨论了不同腔室高度（H=0．08，0．12，0．14m）对气流分布均匀性的影响。研究发现电极表面附近气压分布呈现中心高边缘低的特征，并随入口质量流量的增加而升高；气流分布均匀性随腔室高度增加而有所提高，而同时平均密度却会下降。通过对比发现3D与2D模型仿真结果基本一致。

密炼机部分充满流场的二维非稳态数值模拟

以两相流模型为研究对象,利用流体力学软件FLUENT的流体体积函数(VOF)模型和动网格技术,对部分充满密炼机内的丁苯橡胶胶料-空气两相流动进行二维非稳态数值模拟,对胶料空间分布和不同区域的流场进行了详细分析。结果表明,利用VOF模型可以较真实地模拟出胶料自由界面的动态变化,得到胶料-空气两相的瞬时分布;密炼机部分充满时胶料受到转子剪切后在密炼室壁上黏附形成胶料层,转子背后形成空隙,较容易实现物料的传递和交换;适当的填充系数能够使转子棱推进区总是充满物料,且能提供较高的剪切应力使填料聚集体破碎分散;在转子背后形成不被胶料占据的空隙,扰动胶料的层流流动,并促进胶料的运动、反转和交换。

大型海水淡化装置流场数值模拟及其优化

以往对提高海水淡化装置特别是多级闪发装置 (MultiStageFlashMSF)效率的研究多局限于提高热效率的方面 ,或者是采用化学的方法 ,而忽视了从流体力学角度 ,通过改变闪发腔内流动情况来提高效率。本文利用计算流体力学软件Phoenics采用数值方法模拟闪发式海水淡化装置内的水流特性 ,并分析闪发室内阻流板的设置对水流的湍流度与流动损失的影响 ,从而为闪发室的设计提供合理的依据。

网格因素对三体滑行艇阻力计算影响探究

为获得三体滑行艇的阻力及其他水动力性能比较精确的计算结果,采用粘性流体力学软件STAR-CCM+,依据网格离散的特点,分别讨论了船体表面网格尺寸、近船面网格节点分布、船体周围加密区网格尺寸以及变形网格技术四个因素对三体滑行艇阻力计算精度、收敛速度和稳定性的影响。通过一系列计算、分析,提出适合三体滑行艇阻力计算的网格划分方案,经验证与试验值有较好的符合度。