[发明专利]基于格子Boltzmann方法的并行CFD方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算流体力学和计算机领域，提出了一种基于格子Boltzmann方法的并行CFD方法。

背景技术

经过几十年的发展，计算流体力学CFD在航空航天，大型能源装置(如核电站)，新型交通工具，环境保护等众多工程技术部门和领域都得到了广泛的应用。目前，计算流体力学己成为现代计算科学最有力地推动之一。尽管CFD已取得了令人嘱目的进展，但由于流体运动的复杂性和计算机资源的限制，CFD仍存在许多局限性。对某些问题的计算、预测和控制仍然没有把握。例如，由于缺少有效的计算模型和计算机条件的限制，对航天器热问题的计算的误差有时可能达到100%，许多灾害性的天气还不能进行比较准确的预报。在单机上求解这些复杂的流动问题往往需要过长的计算时间，有些大规模问题甚至无法求解，这在一定程度上限制了CFD在科学研究与工程问题中的应用。由此可见，为了求解复杂的CFD问题必须采用高效的计算模型和先进的计算机体系结构，所以，工程技术的发展和科学问题的需要对CFD的研究提出了更迫切的要求，流体计算成为一个具有挑战性的领域。

大规模并行计算机的有效利用需要新的并行算法。因为利用传统方法即使在超级计算机上求解某些工程和科学问题，如湍流的直接数值模拟等，仍需要非常长的时间。传统的求解Navier-Stokes方程的方法需要求解大规模的代数方程组，Navier-Stokes方程显式解法并行性较好，但是数值稳定性差，收敛速度慢；隐式解法数值稳定性好，收敛速度快，但是其并行可扩展性较差。

发明内容

本发明的目的在于，为了解决上述问题，提供一种基于格子Boltzmann方法的并行CFD方法，是提供时间、空间全离散的格子Boltzmann方法与并行计算相适应的一种新型的全并行高效算法，该方法基于分子动理论，具有清晰的物理背景。该方法在宏观上是离散方法，在微观上是连续方法，因而被称为介观模拟方法。该方法具有许多独特的优势，如计算效率高、边界条件处理简单、程序易于实施等优点。该方法是一种分立统计模型，计算过程中信息传递是局域的，因此并行运算程序关联度较小，各个计算节点之间需要传递的信息量较少，特别适合在具有分布式体系结构的大规模计算机上进行并行计算，可以在费用比较小的情况下进行较大规模的数值模拟，特别是云时代的到来，资源获得更加容易，更大规模的并行计算更容易展开来。

为达到上述目的，本发明的构思是：首先根据面网格的数据和实际计算的参数要求，开发分布式地进行笛卡尔网格剖分方法，加速网格剖分；同时结合一定的数据结构，加速进行网格的初始化，然后根据格子Boltzmann方法开发具有较小通信量的高可扩展性的并行格子Boltzmann方法进行迭代计算，直到满足计算的精度要求后输出流场和物面信息，之后进行可视化分析。

根据上述发明构思，针对实际计算问题的需要，流场计算范围、物面信息，本发明采用下述技术方案：

A、              根据实际问题的计算需求，读入计算的参数文件；

B、  根据参数文件中的面网格stl文件的路径，读取面网格文件；

C、  根据参数文件中的流场范围和面网格的数据，利用开发的分布式笛卡尔网格剖分方法，并行地分布式进行笛卡尔网格的剖分；

D、 根据参数文件中的计算要求，分布式并行地将剖分后的笛卡尔网格进行初始化；

E、 利用开发的高可扩展性的并行格子Boltzmann方法进行并行迭代计算，直到满足参数文件中的精度需求；

F、  输出计算结果中的流场信息和物面信息；

G、              计算结果的可视化分析。

 

本发明的基于格子Boltzmann方法的并行CFD方法，与现有技术相比较，具有以下突出的实质性特点和显著优点：

1.   该方法建立了一种快速的分布式网格剖分方法，加速了网格剖分的速度。由于网格是分布式进行剖分，进行剖分的各个节点之间是不需要进行通讯的，是完全并行模式，有近线性的加速比。

2.   由于网格剖分后是分布式存储在各个计算节点上的，所以可以分布式进行网格计算信息初始化，不需要进行通信，加速了初始化时间，同时也具有近线性的加速比。

3.   该方法同时根据格子Boltzmann方法，给出了一种具有高可扩展的并行格子Boltzmann方法，加速地进行了迭代计算，缩短了原有方法的并行计算时间，同时该方法也具有良好的可扩展性。

附图说明

图1是本发明的基于格子Boltzmann方法的并行CFD方法的流程图。