模型燃烧室燃烧流场并行计算

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1、模型加力室燃烧流场并行计算0前一时间步长变量值﹡前一时间步长变量值缩写LES大涡模拟（LargeEddySimulation）RANS雷诺平均（Reynolds-AveragedNavier-Stokes）DNS直接数值模拟（DirectNumericalSimulation）SGS亚网格尺度（SubgridScale）x南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论1.1引言燃烧室是航空发动机的三大重要部件之一，它的好坏直接影响到发动机的工作性能，因此研制出一种燃烧效率高，热损失少，流阻低，点火可靠，燃烧稳定，寿命长，低污染排放和出口温度高且分布合理的高压高热容高性能的燃烧

2、室[1]是航空发动机研制工作中一项重要的任务。随着当今计算机科学技术，计算流体力学，计算传热学的和计算燃烧学等学科的迅猛发展，为燃烧的数值模拟提供了完备的条件。已日益成为燃烧室设计中不可或缺的重要方法，较之常规的燃烧室试验研究方法，它还具有费用低、周期短、而且不受试验条件和设备的限制的优点。在进行燃烧的数值模拟时，一般可以通过网格加密来使计算结果有所改进，但是由于目前单机计算速度与内存容量的限制，通过网格加密来提高流场计算精度的串行计算终究不是解决问题的根本办法。目前比较理想的高精度模型为大涡模型，采用大涡模拟进行数值模拟时其计算量介于直接数值模拟与雷诺平均(RANS

3、)模拟之间，如果所取的亚网格模型合适的话，可以得到比较真实的瞬态流场，有相当高的精确度，而计算量却比直接数值模拟小很多，为此近年来大涡模拟得到了很大发展。然而，对于一个实际对象，即使采用大涡模拟方法来进行流场计算，当采用的计算网格比较细时，其计算量仍是十分庞大的，解决这一问题的有效方法是并行计算。本文就采用了大涡模拟方法对模型加力燃烧室内的化学反应流进行了并行计算。工程中的并行计算往往是通过发掘程序中指令的并发性来达到加速计算的目的。它已在各个具有挑战性的科技领域：如，分子动力学、遗传基因、海洋循环，核爆炸模拟、基因研究等领域发挥了重要的作用，使原来无法解决的应用问题

4、的研究成为可能。如今，并行计算能力是业已成为衡量国家科技实力的重要标志。越来越多地得到世界各国的重视。1.2并行计算技术的应用及其发展[2]1.2.1超级计算机的发展-1-模型加力室燃烧流场并行计算并行计算的主要物质载体是超级计算机。自从计算机问世以来的几十年中，“冯.诺依曼”体系的超级计算机(各种体系结构如图1.1所示)的发展大致经历了以下五个阶段：(1)早期的单芯片系统：比如ENIAC,UNIVAC,CDC7600,IBM360等，不但是计算机的雏形，其实也堪称为“第一代超级计算机”；(2)向量处理系统：八十年代初，向量处理系统(VectorProcessing)

5、成为当时超级计算的主流，以CrayXMP,CrayYMP,NECSX2和我国的银河一号，二号为代表，称为“第二代超级计算机”；(3)大规模并行处理系统：其后不久，又开始出现了以IMBSP2,IntelParagon,ThinkingMachineCM-5,CrayT3D/T3E和我国的曙光2000，曙光3000等为代表的大规模并行处理(MPP)体系，称为“第三代超级计算机”；(4)共享内存处理系统：九十年代初，新兴的共享内存结构也开始出现并受欢迎，这包括SUNE10000/15000,SGIOrigin2000/3000以及我国的银河三号，神威一号等，称为“第四代超级

6、计算机”；(5)贝奥伍尔夫机群系统：九十年代中后期，开始出项了许多用廉价组件(特别是以因特尔微机芯片和主板)拼组起来的所谓贝奥伍尔夫集群系统(BeowulfCluster),如洛斯阿拉莫斯实验室的Avalon,我国的深腾1800/6800,曙光4000，神威新世纪系列等，也即“第五代超级计算机”PPPPPPPPPPPM1.冯.诺依曼单处理器架构2.向量处理器架构PPPPSystemAreaNetworkPPPPMMMMM1.共享内存多处理器架构4.分布内存多处理器架构图1.1冯.诺依曼体系超级计算机架构示意图目前，在国际上超级计算的领衔大国主要是美国，其后的日本由于过

7、去几-2-南京航空航天大学硕士学位论文十年的大规模投入和政府决策人的高度重视，在超级计算机的研究与应用也处于较领先的地位。这里有几个值得关注的超级计算计划，也许可以给我们一些启示，了解一下国外超级计算发展的趋势与动态。(1)日本NEC“SX-8向量机机群计划”：由512个节点组成，每个节点为8个向量处理器芯片组成的向量服务器，共有4096个向量处理器。(2)美国国家航空航天局与SGI的“哥伦比亚计划”(ProjectColumbia):由20个节点组成，每个节点为512个因特尔“安腾2”芯片的共享内存服务器，共有10,240个处理器。（该系统目前已大