面向并行計算流體動力學模擬的非結(jié)構(gòu)動網(wǎng)格生成的若干問題研究.pdf

1、諸如外掛物分離、級間分離、子母彈拋撒、機翼顫振等動邊界問題在航空航天領(lǐng)域十分常見，其數(shù)值模擬是計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)研究的難點之一。特別地，在高保真CFD需求的持續(xù)推動下，CFD模擬所涉及的幾何模型以及物理模型的復雜度不斷提高，計算問題的規(guī)模也隨之急速增大，并行計算已成為解決大規(guī)模CFD計算性能瓶頸問題的主要途徑。已有的并行CFD數(shù)值模擬系統(tǒng)通常采用“串行網(wǎng)格生成+并行求解”的“

2、準并行”計算流程，即CFD模擬部分已實現(xiàn)高效并行，但相關(guān)網(wǎng)格處理部分還采用串行方法。顯然，當問題涉及數(shù)千萬乃至上億自由度，CFD計算已在成百上千個（乃至更多）計算核上實現(xiàn)高效并行時，串行網(wǎng)格處理以及串行網(wǎng)格處理與并行求解之間的數(shù)據(jù)交換等環(huán)節(jié)會成為阻礙整個計算高效進行的主要性能瓶頸。
　　本文針對多體分離等飛行器設(shè)計中常見的動邊界數(shù)值模擬問題，以研制自主知識產(chǎn)權(quán)的全過程并行（“并行網(wǎng)格生成+并行求解”）動邊界數(shù)值模擬軟件系統(tǒng)為應用目

3、標，在相關(guān)CFD方法、網(wǎng)格自動處理技術(shù)、并行CFD軟件框架的建立和集成等方面開展了系統(tǒng)性的研究工作，主要研究內(nèi)容及其創(chuàng)新如下:
　　(1)基于任意拉格朗日/歐拉(Arbitrary Lagrange-Euler，ALE)有限體積方法描述的控制方程，發(fā)展了一類基于非結(jié)構(gòu)動網(wǎng)格技術(shù)的帶動邊界流場計算方法，繼而結(jié)合非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的變形與重構(gòu)技術(shù)，以及六自由度剛體運動方程求解技術(shù)，實現(xiàn)了一套利用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的帶動邊界流場數(shù)值模擬軟件，采用標準模

4、型和工程算例開展了軟件的正確性驗證工作。
　　(2)提出了一種新的四面體網(wǎng)格局部重連技術(shù)——殼變換，發(fā)展了一類基于殼變換的邊界恢復算法，顯著提高了復雜表面網(wǎng)格輸入情形下Delaunay網(wǎng)格生成算法的可靠性，同時利用殼變換增強了已有網(wǎng)格優(yōu)化算法的優(yōu)化效果。上述研究工作作為一個整體，支撐了一套高質(zhì)量的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序的實現(xiàn)，并成功應用于動邊界CFD求解的初始網(wǎng)格生成與網(wǎng)格重構(gòu)環(huán)節(jié)。
　　(3)采用區(qū)域分解方法，基于消息傳遞界面