高精度差分格式及湍流数值模拟(三)
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➢ 边界层外层的间歇现象与自由涡的 脱落有关。
4) 压缩性效应对拟序结构的影响
Ma=0.7 （平板） Ma=0.7 （尖锥） 板）
Ma=2.25 （平
Ma=6 （平板） ➢ Ma=6 平板边界层 ：准流向涡而不是发卡涡
示例2：有攻角小头钝锥边界层转捩的DNS
1）背景 飞行器的常用头部外形； 转捩及湍流机理复杂；
三、 典型可压缩湍流直接数值模拟示例
Mach 0.7-8 平板边界层湍流DNS
Mach 0.7-6 槽道湍流DNS
最大 网格 16亿
网格3.2亿
Mach 6 有攻角钝锥边界层湍流DNS
RAE2822 超临界翼型三维绕流LES及DNS
压缩折角激波-边界层干扰DNS
示例1： 平板边界层湍流中的拟序结构
面向工程计算开放的CFD代码(Open CFD code for Engineering Computing)
算法： 多块结构网格有限体积 + RANS 特点： 适用于复杂外形工程计算
差分-有限体积混合方法
3） 高精度化学反应模拟程序—— OpenCFD-Comb
面向化学反应的开放CFD程序： An OpenCFD code for Combustion
➢发卡涡形成及发展的涡动力学机制
2） 拟序结构与切应力、壁面摩擦阻力
➢雷诺瞬时切应力集中在拟序结构周 围。 ➢新旧拟序结构干扰摩擦阻力剧烈增
加。
➢ 发卡涡导致局部高剪切—— 诱发
非线性Breakdown
瞬时雷诺切应力等值面
3) 发卡涡头部脱落
➢ 发卡涡发生断裂，头部成为孤立自 由涡。
➢ 自由涡脱离主体，沿边界层外层向 下游翻滚运动。
computational region
200
z 300
outflow boundary
buffer region
400
500
示例2：有攻角小头钝锥边界层转捩的DNS
3） 计算结果验证
a.不同网格之间的比较 （网格收敛性） b. 不同扰动形式的结果比较 （模型正确性） d. 与Horvath静风洞实验比较 （与实验结果比较） c. 与 eN方法比较 （与理论结果比较） e. 与Stenson实验比较 （与实验结果比较）
计算模型：平板边界层
边界层湍流DNS, Ma=0.7, 2.25,6 扰动:
二维不稳定波 + 一对三维斜波 (自然转捩） 壁面吹吸扰动 (Bypass)
➢ 应用示例： 平板边界层湍流中的拟序结构 1）拟序结构的形成及演化规律
动画演示： 平板边界层拟序结构的形成及演化
流场中涡结构的瞬时演化图（Q=10的等值面）
高精度差分格式及 湍流数值模拟 （三）
Part 3 可压缩湍流DNS
1. 背景 2. OpenCFD软件简介 3. 典型可压缩湍流的直接数值模拟示例 4. 湍流模型的评估及改进 5. 湍流燃烧的DNS 6. 小结
一、 背景
➢ 直接数值模拟 （DNS） 是研究湍流机理、 模型及 控制的重要手段
✓ 无需使用湍流模型： 准确度高 ✓ 分辨湍流全部细节： 精度高
1）高精度有限差分求解器OpenCFD-SC
Open CFD code for Scientific Computing; 面向科学计算开放的CFD代码
算法： 高精度差分 特点： 精度高、适用于湍流DNS及LES等
外形相对简单， 但流场复杂
➢ OpenCFD-SC 的大规模测试及计算
时间 2007.12 2010.12 2013.4 2014.12 2015.12
✓高精度差分方法， 适合于化学反应湍流高精度模拟
➢ Chemkin-like 化学反应机理接口 ； ➢ Chemkin 热力学模型、 物理模型 （粘性、热导、扩散系数） ➢ 高精度差分方法： OMP6, GVC, WENO7 ➢ 高阶滤波，保证计算稳定性； ➢ MPI并行， 可扩展到百万CPU规模；
头激波、熵层、横流； 高Reynolds数、高Mach数； 无成熟转捩（湍流）理论及模型；
DNS: 研究该问题的有力手段 尚无他人DNS报道
a
头激波
边
界
横流
层 转
捩
线
示例2：有攻角小头钝锥边界层转捩的DNS 2） 计算参数及方法
Ren(头半径度量)
10000
Ma a(攻角) Tw(壁温) T 半锥角
~m; (~10m)
最小尺度涡： 微米量级； 中小尺度涡： 0.1mm~ 1mm量级
直接数值模拟： 分辨出最小尺度涡； 网格量极为巨大： 计算量、存储量大
对高性能计算需求强烈
二、 高精度CFD软件 OpenCFD
OpenCFD: 作者开发的一套高精度、开放的CFD程序
1） OpenCFD-SC : 高精度差分 2） OpenCFD-EC: 有限体积 3） OpenCFD-Comb: 化学反应计算
瞬时温度场
流动机理、 评估、改善湍 流动控制 流模型
湍射流的涡量分布：DNS
RANS
➢ DNS对高性能计算需求强烈
年代
2080
2045
2010 2000 1990
1980
DNS LES
Splart 的 预期
非定常
RANS/Βιβλιοθήκη BaiduES
粘性NS方程 (RANS)、定常
无粘流/Euler方程
势流、面元法
大型飞机整机流场/气动力计算
6
1度
294K
79K 5
数值计算： 自主开发的程序(OpenCFD-SC)
直接数值模拟； 高精度差分法
对流项: 7阶精度WENO;
粘性项： 8阶精度中心;
a
时间项： 3阶精度Runge-Kutta
头激波
边界层
湍 流
r
120
100
80
inlet boundary
60
40
20
00
100
upper boundary
计算机 国产并行机 天河1A 国产并行机 天河-2 国产并行机
计算规模（核） 最大规模时并 问题描述 行效率
4096-58240
50%
Mach 6 钝锥转捩DNS，计 算网格点3.5亿
256-16384
32768-98万 （含从核）
90% 37.5%
Mach 8 平板边界层湍流 DNS， 网格点4亿；
M6 三维翼湍流LES
8192-24万
65.14%
M6 三维翼湍流LES
32768-380万 （含从核）
约60%
M6 三维翼湍流LES
➢ OpenCFD程序 异构并行移植及优化
➢ GPU系统 （天河-1号）
➢ MIC系统 （天河-2号）
内存
➢ 国产众核系统 （神威太湖之光）
2）多块结构网格有限体积程序—— OpenCFD-EC
4) 压缩性效应对拟序结构的影响
Ma=0.7 （平板） Ma=0.7 （尖锥） 板）
Ma=2.25 （平
Ma=6 （平板） ➢ Ma=6 平板边界层 ：准流向涡而不是发卡涡
示例2：有攻角小头钝锥边界层转捩的DNS
1）背景 飞行器的常用头部外形； 转捩及湍流机理复杂；
三、 典型可压缩湍流直接数值模拟示例
Mach 0.7-8 平板边界层湍流DNS
Mach 0.7-6 槽道湍流DNS
最大 网格 16亿
网格3.2亿
Mach 6 有攻角钝锥边界层湍流DNS
RAE2822 超临界翼型三维绕流LES及DNS
压缩折角激波-边界层干扰DNS
示例1： 平板边界层湍流中的拟序结构
面向工程计算开放的CFD代码(Open CFD code for Engineering Computing)
算法： 多块结构网格有限体积 + RANS 特点： 适用于复杂外形工程计算
差分-有限体积混合方法
3） 高精度化学反应模拟程序—— OpenCFD-Comb
面向化学反应的开放CFD程序： An OpenCFD code for Combustion
➢发卡涡形成及发展的涡动力学机制
2） 拟序结构与切应力、壁面摩擦阻力
➢雷诺瞬时切应力集中在拟序结构周 围。 ➢新旧拟序结构干扰摩擦阻力剧烈增
加。
➢ 发卡涡导致局部高剪切—— 诱发
非线性Breakdown
瞬时雷诺切应力等值面
3) 发卡涡头部脱落
➢ 发卡涡发生断裂，头部成为孤立自 由涡。
➢ 自由涡脱离主体，沿边界层外层向 下游翻滚运动。
computational region
200
z 300
outflow boundary
buffer region
400
500
示例2：有攻角小头钝锥边界层转捩的DNS
3） 计算结果验证
a.不同网格之间的比较 （网格收敛性） b. 不同扰动形式的结果比较 （模型正确性） d. 与Horvath静风洞实验比较 （与实验结果比较） c. 与 eN方法比较 （与理论结果比较） e. 与Stenson实验比较 （与实验结果比较）
计算模型：平板边界层
边界层湍流DNS, Ma=0.7, 2.25,6 扰动:
二维不稳定波 + 一对三维斜波 (自然转捩） 壁面吹吸扰动 (Bypass)
➢ 应用示例： 平板边界层湍流中的拟序结构 1）拟序结构的形成及演化规律
动画演示： 平板边界层拟序结构的形成及演化
流场中涡结构的瞬时演化图（Q=10的等值面）
高精度差分格式及 湍流数值模拟 （三）
Part 3 可压缩湍流DNS
1. 背景 2. OpenCFD软件简介 3. 典型可压缩湍流的直接数值模拟示例 4. 湍流模型的评估及改进 5. 湍流燃烧的DNS 6. 小结
一、 背景
➢ 直接数值模拟 （DNS） 是研究湍流机理、 模型及 控制的重要手段
✓ 无需使用湍流模型： 准确度高 ✓ 分辨湍流全部细节： 精度高
1）高精度有限差分求解器OpenCFD-SC
Open CFD code for Scientific Computing; 面向科学计算开放的CFD代码
算法： 高精度差分 特点： 精度高、适用于湍流DNS及LES等
外形相对简单， 但流场复杂
➢ OpenCFD-SC 的大规模测试及计算
时间 2007.12 2010.12 2013.4 2014.12 2015.12
✓高精度差分方法， 适合于化学反应湍流高精度模拟
➢ Chemkin-like 化学反应机理接口 ； ➢ Chemkin 热力学模型、 物理模型 （粘性、热导、扩散系数） ➢ 高精度差分方法： OMP6, GVC, WENO7 ➢ 高阶滤波，保证计算稳定性； ➢ MPI并行， 可扩展到百万CPU规模；
头激波、熵层、横流； 高Reynolds数、高Mach数； 无成熟转捩（湍流）理论及模型；
DNS: 研究该问题的有力手段 尚无他人DNS报道
a
头激波
边
界
横流
层 转
捩
线
示例2：有攻角小头钝锥边界层转捩的DNS 2） 计算参数及方法
Ren(头半径度量)
10000
Ma a(攻角) Tw(壁温) T 半锥角
~m; (~10m)
最小尺度涡： 微米量级； 中小尺度涡： 0.1mm~ 1mm量级
直接数值模拟： 分辨出最小尺度涡； 网格量极为巨大： 计算量、存储量大
对高性能计算需求强烈
二、 高精度CFD软件 OpenCFD
OpenCFD: 作者开发的一套高精度、开放的CFD程序
1） OpenCFD-SC : 高精度差分 2） OpenCFD-EC: 有限体积 3） OpenCFD-Comb: 化学反应计算
瞬时温度场
流动机理、 评估、改善湍 流动控制 流模型
湍射流的涡量分布：DNS
RANS
➢ DNS对高性能计算需求强烈
年代
2080
2045
2010 2000 1990
1980
DNS LES
Splart 的 预期
非定常
RANS/Βιβλιοθήκη BaiduES
粘性NS方程 (RANS)、定常
无粘流/Euler方程
势流、面元法
大型飞机整机流场/气动力计算
6
1度
294K
79K 5
数值计算： 自主开发的程序(OpenCFD-SC)
直接数值模拟； 高精度差分法
对流项: 7阶精度WENO;
粘性项： 8阶精度中心;
a
时间项： 3阶精度Runge-Kutta
头激波
边界层
湍 流
r
120
100
80
inlet boundary
60
40
20
00
100
upper boundary
计算机 国产并行机 天河1A 国产并行机 天河-2 国产并行机
计算规模（核） 最大规模时并 问题描述 行效率
4096-58240
50%
Mach 6 钝锥转捩DNS，计 算网格点3.5亿
256-16384
32768-98万 （含从核）
90% 37.5%
Mach 8 平板边界层湍流 DNS， 网格点4亿；
M6 三维翼湍流LES
8192-24万
65.14%
M6 三维翼湍流LES
32768-380万 （含从核）
约60%
M6 三维翼湍流LES
➢ OpenCFD程序 异构并行移植及优化
➢ GPU系统 （天河-1号）
➢ MIC系统 （天河-2号）
内存
➢ 国产众核系统 （神威太湖之光）
2）多块结构网格有限体积程序—— OpenCFD-EC