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基于浸入边界法的复杂流动多尺度模拟; Multi-scale Modeling and Numerical Simulation of Complex Flows based on Immersed Boundary Method
狄升斌
学位类型博士
导师葛蔚
2015-05
学位授予单位中国科学院研究生院
学位专业化学工程
关键词浸入边界法 大涡模拟 搅拌反应釜 液固两相流 并行计算 Gpu
摘要含有复杂运动边界的流固耦合(fluid-solid interaction, FSI)问题广泛存在于化工生产过程之中,如搅拌反应釜以及颗粒流体两相流等。尽管计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)在近几十年来有了迅速的发展,但是精确与有效地模拟含复杂运动边界的流动/传递现象仍然是巨大的挑战。近年来,基于欧拉正交网格的浸入边界方法(immersed boundary method, IBM)逐渐成为研究此类问题的主要数值方法之一。本文在有限体积/差分方法框架下改进了浸入边界方法及其并行算法,并以此实现了实验室以至工业尺度的搅拌反应釜中流动、传热以及颗粒悬浮等过程的模拟,证明了该方法的有效性并展现了广阔的应用前景。论文的主要内容与创新点如下: 在传统的浸入边界方法中,无滑移边界条件与速度零散度条件通常不能同时满足。本论文对此提出了改进方法,即压力修正方程先于体积力源项求解、体积力仅仅散布于浸入边界的内部,同时采用多重直接力方法使无滑移边界条件得到更好的满足,从而避免了上述问题。在标准测试算例中,尤其是在运动边界附近,改进算法能够得到比传统方法更为精确的计算结果。 本论文借助于CPU-GPU并行计算突破了复杂流动模拟中计算量大的瓶颈,GPU计算相对于CPU单核获得了7~20倍的加速。传统的浸入边界方法在处理运动边界时欧拉网格与拉格朗日网格变量间的传递算法并行性较差。对此,本文提出了部分速度差值与体积力散布的方式,在不增加通信量的情况下简化了并行算法。基于这些改进工作并结合大涡数值模拟(large eddy simulation, LES),高雷诺数的复杂流固耦合问题的大规模模拟成为了可能。 在浸入边界方法的实际应用中经常同时遇到固定与运动边界,传统方法对此均采用相同的边界处理方式,未能充分发挥其优势。本文根据不同壁面的运动特性选取不同的浸入边界方法分别处理静止壁面与运动壁面,建立了混合浸入边界方法。实验对比算例表明该方法能显著提高计算效率并保持计算精度。 应用上述改进的浸入边界方法,本文结合大涡模拟研究了Rushton搅拌釜内的湍流流动,并与实验以及其他模拟结果进行了对比,获得了合理的速度场和湍流参数分布,证明该方法是研究搅拌釜中湍流流动的有力工具。该方法还进一步应用于工业尺度搅拌反应釜内高粘度流体的流动与传热模拟,有效预测了反应釜内任意处的流场与温度场信息,为其优化设计提供了依据。 论文还将改进的浸入边界方法与离散单元法(discrete element method, DEM)结合,并应用CPU-GPU异构超级计算实现了搅拌釜内液固两相流的大规模直接数值模拟,阐明了桨型和挡板等几何结构对颗粒分布与运动方式的影响。 论文工作表明,通过本文的改进,浸入边界方法与超级计算机相结合已能够实现工业规模的含有复杂运动边界系统的有效模拟,并能深入揭示其流动与传递过程的细节,而这方面的进一步发展将为搅拌反应釜等重要工业反应器的优化设计提供强有力的工具。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/20342
专题研究所(批量导入)
推荐引用方式
GB/T 7714
狄升斌. 基于浸入边界法的复杂流动多尺度模拟, Multi-scale Modeling and Numerical Simulation of Complex Flows based on Immersed Boundary Method[D]. 中国科学院研究生院,2015.
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