兩相復(fù)雜流體大規(guī)模并行數(shù)值模擬關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、復(fù)雜流體及其控制技術(shù)在諸多傳統(tǒng)工業(yè)及新興產(chǎn)業(yè)中都發(fā)揮著重要的作用，研究兩相復(fù)雜流體的運動過程及流變學(xué)特性有著重要的科學(xué)意義及應(yīng)用價值。隨著高性能計算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法已成為復(fù)雜流體研究的重要手段。而實現(xiàn)高效的大規(guī)模并行數(shù)值模擬仍面臨著精確的物理模型，高效靈活的并行數(shù)值求解器以及可擴展的并行計算方法等多方面的挑戰(zhàn)。本文圍繞上述問題對兩相復(fù)雜流體大規(guī)模并行數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)展開研究，主要工作和創(chuàng)新點體現(xiàn)在：
　　1.基于分子理論

2、改進(jìn)了現(xiàn)有雙流體模型，提出了兩種新的兩相流體理論模型。(第二章)
　　本文首次將基于分子理論推導(dǎo)而來的Rolie-Poly本構(gòu)方程擴展到兩相流體的建模中，提出了一種新的宏觀兩相復(fù)雜流體模型：FH-RP模型。通過將布朗構(gòu)象場(BCF)方法耦合到雙流體模型框架中，提出了一種基于BCF方法的宏-微觀耦合雙流體模型:FH-BCF模型，該模型通過大量微觀分子構(gòu)象的分布來計算粘彈應(yīng)力，能夠更好地描述復(fù)雜流體行為，且具有更高的數(shù)值穩(wěn)定性。本文建

3、立的理論模型為兩相復(fù)雜流體的定量分析提供了基礎(chǔ)，對指導(dǎo)復(fù)雜流體實驗研究和優(yōu)化工程應(yīng)用有著重要意義。
　　2.基于并行應(yīng)用框架設(shè)計并實現(xiàn)了兩相復(fù)雜流體數(shù)值求解器。(第三章)
　　在兩相流體理論模型的基礎(chǔ)上，我們分析了模型數(shù)值求解的流程及特點，分別設(shè)計了FH-RP模型和FH-BCF模型的數(shù)值求解算法，并基于領(lǐng)域并行應(yīng)用框架OpenFOAM設(shè)計了兩相復(fù)雜流體數(shù)值求解器的總體結(jié)構(gòu)，最后在框架中實現(xiàn)了宏觀以及宏-微觀耦合兩相流體數(shù)值求

4、解器，實驗結(jié)果驗證了求解器的正確性及精度。該研究成果為兩相復(fù)雜流體的大規(guī)模并行模擬提供了基礎(chǔ)，有助于將復(fù)雜流體模擬推廣到更多應(yīng)用領(lǐng)域。
　　3.針對宏-微觀耦合模擬，設(shè)計了一種嵌套并行計算方法:MCDPar。(第四章)
　　宏-微觀耦合模擬計算量大，模擬時間過長，傳統(tǒng)的基于網(wǎng)格分解的并行計算方式可擴展性受限。本文設(shè)計了一種新的網(wǎng)格分解與構(gòu)象場分解相結(jié)合的嵌套并行計算方法：MCDPar。該方法從構(gòu)象場方程和網(wǎng)格兩個維度對程序進(jìn)

5、行并行劃分，能夠大幅提高程序的并行度。我們分析了MCDPar的并行計算時間開銷及可擴展性，并從通信角度研究了相關(guān)優(yōu)化方法。大規(guī)模并行實驗結(jié)果表明該方法能大幅降低宏-微觀耦合模擬的時間開銷。
　　4.驗證了所提出關(guān)鍵技術(shù)的有效性并在不引入額外參數(shù)的條件下首次模擬出不規(guī)則流變學(xué)響應(yīng)等復(fù)雜實驗現(xiàn)象。(第五章)
　　采用FH-RP模型對剪切誘導(dǎo)相分離現(xiàn)象，以及粘彈流體中的非平衡穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象進(jìn)行了詳盡的數(shù)值模擬研究，實驗結(jié)果表明FH-RP