基于非结构化网格气液两相流数值方法及并行计算研究与软件开发

论文摘要

气液两相流广泛地存在于能源、动力、核能、石油、化工、制冷、冶金、航天和环境保护等许多工业领域中,研究气液两相流运动规律对工业设计具有重要指导意义。目前对气液两相流动进行很多的理论研究和实验研究,数值研究方法较少,而且主要依赖商业软件或者在结构化网格下进行,使得其应用受到限制。本文主要展开了基于非结构化网格气液两相流动数值模拟方法的研究。研究了基于非结构化网格通用输运方程的数值求解方法,包括输运方程的离散格式,边界条件处理方法,压力速度耦合SIMPLE求解方法,详细讨论了影响界面流量计算的重要因素。对不同物性材料耦合流场及温度场求解方法及实现方式进行了讨论。研究了大型稀疏线性方程求解方法。研究表明在计算流体力学(CFD)中,线性方程组的求解方法占总CPU时间的60%以上,提高线性方程组的求解速度是提高数值计算总体性能的关键所在。本文研究了一种聚合型代数多重网格方法,并开发了相应的计算程序,提高了线性方程组的求解速度,该方法的另一个特点是可以方便的实现并行处理,这也是本文所关心的另一个重要特性。基于非结构化网格开发了流体力学数值计算平台,在此平台上对一些经典的算例进行了验算,计算结果与理论和实验吻合很好。同时与大型商业软件计算结果进行了对比,本文开发的平台各方面性能表现良好。详细研究了气液两相流动的双流体模拟方法,包括气液两相流的湍流封闭模型,相间作用力模型以及相变模型。同时还对轴对称数值计算方法进行了研究,并将此模型添加到数值计算平台中,节省了计算资源,提高了计算性能。本文开发了基于MPI的并行计算模块,得到了理想的加速比,可实现对大规模实际问题设计计算或者流动细节进行理论研究,。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 气液两相泡状流动
• 1.2.2 沸腾传热研究
• 1.2.3 非结构化网格技术
• 1.2.4 CFD软件发展概况
• 1.2.5 并行计算
• 1.3 本文研究的目的和意义
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 数值求解方法
• 2.1 概述
• 2.2 控制方程
• 2.3 离散格式
• 2.4 边界条件
• 2.4.1 进口边界条件
• 2.4.2 压力出口边界条件
• 2.4.3 固壁边界
• 2.4.4 对称边界
• 2.5 流场求解
• 2.5.1 非结构化网格上的SIMPLE算法
• 2.5.2 程序框图
• 2.6 动量插值方法
• 2.7 不同物性材料耦合计算
• 2.7.1 压力修正方程
• 2.7.2 压力梯度计算
• 2.7.3 动量预测方程
• 2.7.4 能量方程
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于非结构化网格线性方程组解法
• 3.1 概述
• 3.2 简单迭代方法
• 3.3 共轭梯度方法
• 3.4 多重网恪方法
• 3.4.1 多重网格概述
• 3.4.2 聚合型代数多重网格方法
• 3.5 SIMPLE系列算法中线性方程组解法
• 3.5.1 共轭梯度法
• 3.5.2 共轭梯度法与多重网格对比
• 3.5.3 聚合型代数多重网格方法与AMGlr5对比
• 3.6 本章小结
• 第4章 自主研发软件典型流动算例验证
• 4.1 概述
• 4.2 顶盖驱动方腔流动
• 4.3 90°方截面弯管内流动
• 4.3.1 物理模型
• 4.3.2 0度攻角与0度侧角计算结果
• 4.3.3 不同攻角与0度侧角计算结果
• 4.3.4 不同侧角结果和0度攻角计算结果
• 4.3.5 不同进口雷诺数的计算结果
• 4.4 二维后台阶流动
• 4.5 有挡板方管耦合传热模型
• 4.6 圆柱绕流耦合传热模型
• 4.7 本章小结
• 第5章 基于MPI的网络并行计算方法
• 5.1 概述
• 5.2 PC集群搭建
• 5.2.1 节点组成及通信系统
• 5.2.2 并行计算环境设置及程序运行
• 5.3 基于MPI并行计算方法
• 5.3.1 并行计算流程
• 5.3.2 任意混合网格区域自动分解与结果重构
• 5.3.3 线性并行求解
• 5.4 并行计算测试与结果分析
• 5.4.1 几个典型算例计算结果
• 5.4.2 并行计算效率分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 双流体模型与计算方法
• 6.1 双流体模型
• 6.1.1 控制方程
• 6.1.2 界面作用力模型
• 6.1.3 界面相变模型
• 6.1.4 湍流模型
• 6.2 双流体模型数值计算方法
• 6.2.1 相间阻力隐式处理
• 6.2.2 强体积力作用项处理
• 6.2.3 扩展到两相流动求解的SIMPLE系列算法
• 6.3 轴对称模型
• 6.4 本章小结
• 第7章 气液两相流动计算结果与分析
• 7.1 强体积力作用模型的验证
• 7.2 对相间作用力模型影响研究
• 7.4 突扩管内气液两相计算结果
• 7.5 淬火过程数值模拟
• 7.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢