RB熱對流大規模並行計算及其湍流特性研究

《RB熱對流大規模並行計算及其湍流特性研究》是依託中山大學，由包芸擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：RB熱對流大規模並行計算及其湍流特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：包芸
• 依託單位：中山大學

中文摘要

熱對流廣泛存在於各種自然界運動以及眾多工程套用領域中，因此熱對流研究具有重要意義。Rayleigh-Bénard 對流（RBC）是熱對流研究領域中最為典型的流動現象。本課題擬在超級計算機上進行高Ra數熱對流的DNS數值計算，最佳化大規模並行計算策略，提高計算效率，開展三維BR熱對流主特徵區的數值模擬。探討高Ra熱對流時細小熱羽流特性和結構，借鑑可壓縮邊界層已發展的多種高精度格式研究，創建新的高階計算格式，實現更高Ra數熱對流的數值模擬計算。在獲得豐富的湍流熱對流研究數據的基礎上，開展湍流熱對流的熱邊界層結構和特性、Ra數及Pr數效應、角渦脫離特性、巨觀熱傳輸特性以及熱對流內部剖面多層結構等多方面物理特性的研究。本課題的研究將創建新的湍流BR熱對流的DNS模擬計算技術，積累大量熱對流物理參數場數據，總結提出湍流熱對流的流動結構與熱傳輸的物理規律，為熱對流的廣泛套用提供理論基礎。

結題摘要

熱對流現象廣泛存在於自然界及工程套用領域中，研究熱對流現象的物理和流動特性具有重要意義。Rayleigh–Bénard對流（簡稱“RB對流”）是從眾多熱對流現象中抽象出來的最為典型的物理模型，由於實驗和分析的簡便性而備受研究者關注。隨著控制參數Ra數的提高，熱對流運動中溫度羽流和流動耦合，產生多種複雜的湍流流動現象。DNS數值模擬是研究RB熱對流物理特性的重要手段之一。本項目針對極高Ra數湍流熱對流DNS計算工作量巨大而產生的研究瓶頸，改進數值計算技術，創建了針對湍流熱對流DNS模擬的並行直接求解方法（PDM-DNS），自主完成編寫了MPI+OpenMP並行的PDM-DNS計算程式，將計算效率提高了一個量級。在“天河二號”超級計算機上，完成系列二維湍流熱對流DNS模擬，最高Ra=2x10^13，以及三維熱對流的DNS模擬計算，獲得了大量的研究數據。在此基礎上，展開了湍流熱對流傳熱和流動特性的研究。對高和極高Ra數二維湍流熱對流的羽流特性研究，計算Ra數範圍10^8≦Ra≦10^13，結果可以看到三種形態羽流運動：大尺度環流和兩個角渦、隨機運動的條狀羽流、相互影響的眾多小尺寸旋渦羽流。大尺度環流在一定的Ra數範圍發生反轉現象，DNS模擬結果揭示反轉原因是角渦尺寸不穩定造成的。研究邊界層厚度隨Ra數的變化特性，並在二維湍流熱對流中發現溫度剖面存在對數律。展開了系列Pr數二維湍流熱對流的計算和流動特性研究。三維熱對流的DNS模擬發現，在厚度為1/4的方腔中近底板附近存在發卡型對渦。對比了二維和展向平均三維熱對流的流動特性。發現在對流裝置中加入頂端有狹縫的豎直隔板可使傳熱效率倍增，並對其流動和物理特性展開系列研究。PDM-DNS方法已被推廣其它課題組，並加入新的計算技術，將其擴展到粗糙底板和滑移邊界的熱對流DNS計算研究中，已取得階段性成果。