兩相復雜流體大規(guī)模并行數(shù)值模擬關鍵技術研究.pdf

1、復雜流體及其控制技術在諸多傳統(tǒng)工業(yè)及新興產業(yè)中都發(fā)揮著重要的作用，研究兩相復雜流體的運動過程及流變學特性有著重要的科學意義及應用價值。隨著高性能計算技術的發(fā)展，數(shù)值模擬方法已成為復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雜流體大規(guī)模并行數(shù)值模擬的關鍵技術展開研究，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而來的Rolie-Poly本構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雜流體模型：FH-RP模型。通過將布朗構象場(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象的分布來計算粘彈應力，能夠更好地描述復雜流體行為，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雜流體的定量分析提供了基礎，對指導復雜流體實驗研究和優(yōu)化工程應用有著重要意義。
　　2.基于并行應用框架設計并實現(xiàn)了兩相復雜流體數(shù)值求解器。(第三章)
　　在兩相流體理論模型的基礎上，我們分析了模型數(shù)值求解的流程及特點，分別設計了FH-RP模型和FH-BCF模型的數(shù)值求解算法，并基于領域并行應用框架OpenFOAM設計了兩相復雜流體數(shù)值求解器的總體結構，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，實驗結果驗證了求解器的正確性及精度。該研究成果為兩相復雜流體的大規(guī)模并行模擬提供了基礎，有助于將復雜流體模擬推廣到更多應用領域。
　　3.針對宏-微觀耦合模擬，設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。本文設計了一種新的網(wǎng)格分解與構象場分解相結合的嵌套并行計算方法：MCDPar。該方法從構象場方程和網(wǎng)格兩個維度對程序進

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優(yōu)化方法。大規(guī)模并行實驗結果表明該方法能大幅降低宏-微觀耦合模擬的時間開銷。
　　4.驗證了所提出關鍵技術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)則流變學響應等復雜實驗現(xiàn)象。(第五章)
　　采用FH-RP模型對剪切誘導相分離現(xiàn)象，以及粘彈流體中的非平衡穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象進行了詳盡的數(shù)值模擬研究，實驗結果表明FH-RP