气固两相流动大规模并行直接数值模拟算法研究进展与展望

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1、高性能计算应用51气固两相流动大规模并行直接数值模拟算法研究进展与展望李德波广东电网公司电力科学研究院广州510060ldbyx@126.com樊建人罗坤岑可法浙江大学能源清洁利用国家重点实验室杭州310027摘要：对欧拉-拉格朗日下气固两相流动并行直接数值模拟算法的最新研究成果进行了系统的总结。主要涉及到气固两相流大规模并行直接数值模拟空间导数离散格式的选取，流体相和颗粒相并行区域划分的策略，颗粒相并行数据传递的逻辑控制方法，颗粒相碰撞并行的实现方法，三维计算区域二个方向分解并行计算的若干关键问题，以及并行

2、加速比和并行效率的计算结果。指明了解决欧拉-拉格朗日下气固两相流动并行直接数值模拟算法若干关键问题，以及今后需要解决的若干关键问题。关键词：欧拉-拉格朗日，气固两相流，直接数值模拟，颗粒碰撞算法，大规模并行计算引言计算方法的研究，深入研究两相流动的难题，比如气固两相流动的数值模拟主要有两大类方法，湍流调制，优先聚集，颗粒与流体的耦合之间的质一种是流体相在欧拉坐标系下求解，颗粒相在拉格量、动量耦合效应等等，都需要依赖于准确的试验朗日下进行颗粒轨道计算，这种方法称为欧拉-拉格数据，这里包括直接的试验研究和数值模拟的数

3、据[4-5]。因此，开展两相流动并行计算方法的研究显得朗日方法；另外一种方法不仅流体相在欧拉坐标系下进行计算，将颗粒看作一种拟流体，采用与流体非常必要。可以预计在不久的将来，随着并行计算相类似的控制方程，在欧拉坐标系下求解，这种方技术的不断发展，必然会产生更加精细的两相流动法称为欧拉-欧拉方法[1-5]。本文主要介绍在欧拉-拉的计算方法，得到的颗粒与流体作用的内在的信息格朗日框架下，进行气固两相流体大规模并行直接更加细致，也必将大量的依赖于大规模的并行计算机，因此这样大规模颗粒并行算法显得尤为重要[10]。数值模

4、拟的最新研究进展。李德波等[10-12,16-25]系统研究了气固两相流动大随着大规模并行计算机硬件和软件技术的发展，为两相流动的直接数值模拟研究提供了新的平规模并行直接数值模拟算法。研究了颗粒两相流并台。以前两相流动的研究，往往受到计算资源的限行直接数值模拟空间离散选取的方法，流体相和颗制，只能考虑颗粒与流体之间的单相耦合，过去研粒相并行区域划分的策略，颗粒相并行数据传递的究者气固两相流数值模拟中也采用计算颗粒的概逻辑控制方法，颗粒相碰撞并行的实现方法，三维念，其主要目的是为了节省计算量，减少实际跟踪计算区域二

5、个方向区域分解并行计算的若干关键问的颗粒的数目。同时颗粒与颗粒之间的碰撞，颗粒题，以及并行加速比和并行效率的计算结果。颗粒与流体之间的双向耦合作用往往不考虑[6-9]。在并两相流并行数值模拟的结果与实验进行了严格的对行计算技术快速发展的今天，开展两相流动并行比验证，包括加速比和并行效率的对比。对比结果基金项目：国家自然科学基金重点项目(50736006)。52《高性能计算发展与应用》2013年第三期总第四十四期表明，李德波等[10-12,16-25]研发的气固两相流动大规模影响。并行直接数值模拟算法具有并行效率高

6、，颗粒计算负载平衡度高，直接数值模拟的结果具有比较高的计算精度，与实验的结果吻合比较好，包括流体相和颗粒相的速度场、雷诺应力场的湍流场信息。本文系统性的总结了气固两相流大规模并行直接数值模拟算法的若干关键问题，重点介绍了颗粒碰撞并行实现的具体步骤，颗粒相数据信息MPI传递(6)的高效逻辑控制方法，流体相区域分解算法的本质等。对上述的若干关键问题处理的难点进行了详细李德波等[10-12,16-25]对颗粒相模拟作如下假设：的分析与评述，以及需要进一步解决的关键学术问1）颗粒为具有相同直径dp和相同密度ρp的规则刚题

7、进行了阐述。性球体；2）颗粒的密度远大于流体的密度(ρp/ρf>1)。由于颗粒远重于流体，Elghobashi和Truesdell[28]表1.控制方程明颗粒受到的力主要是Stokes阻力和重力，Basset力上面两个力小一个数量级而可以忽略。颗粒受到的升力比阻力和重力要小很多，但在李德波等[10-12,16-1.1流体相控制方程[10-12,16-25]25]研究中，由于考虑到以后模拟平板边界层等有壁面李德波等采用的气固两相流动直接数值模拟中流体相控制方程如下：约束的流动，在壁面附近存在较大的速度梯度，由连续方

8、程：此产生的滑移-剪切升力(theslip-shearliftforce)对颗粒在壁面附近的沉降过程有较大影响，不可忽略。(1)另外，颗粒与壁面的碰撞使颗粒具有较大的旋转速动量方程：度，由此产生的滑移-旋转升力(theslip-rotationliftforce)也将被考虑。(2)[10-12,16-25]因此，李德波等所考虑的作用于颗粒温度方程：的力包括阻力，重力，滑移