[发明专利]基于统计动力学的高性能大规模流固耦合流体仿真方法

权利要求书

1.一种基于统计动力学的高性能大规模流固耦合流体仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)流体仿真建模：在非正交中心矩驰豫格子玻尔兹曼模型的基础上，基于六阶埃尔米特多项式近似N-S方程的非正交中心矩驰豫格子玻尔兹曼模型提出目标度量方程x_k表示空间中k点，t表示LBM空间的时间，∈(x_k，t)表示t时刻空间中k点的度量方程值，ρ表示LBM空间的密度，u表示LBM空间的速度，Π表示LBM空间的二阶矩，δ^t(·)＝(·)^t+Δt-(·)^t，Δt表示真实物理空间的时间步长，k表示迭代次数的倍数，在多种不同仿真环境下优化目标度量方程得到足够多的训练数据，然后基于训练数据用线性回归的方法去自适应控制非正交中心矩驰豫格子玻尔兹曼模型的高阶参数；

步骤(2)通用映射构造：根据流体的性质，雷诺数在物理空间下保持不变，基于宏观基础物理量归一化到介观格子玻尔兹曼方程中，建立宏观流体物理量和介观流体物理量的通用映射关系，其中，宏观流体和介观流体的通用映射物理量包括空间步长、时间步长、求解空间尺度大小、密度、速度、单位体积力、粘度；

步骤(3)时间空间连续尺度自适应仿真：基于步骤(2)的通用映射关系，在时间和空间连续尺度上进行自适应仿真，构造连续尺度之间的映射关系；

步骤(4)高性能流固耦合仿真：使用浸入式边界处理方法，将流体方程求解的欧拉网格和固体运动求解的拉格朗日网格耦合，满足滑动和非滑动的边界条件，利用最小插值内核构建低耗散的流固边界，其中，耦合力方法基于步骤(2)的通用映射关系，计算介观流体和宏观刚体之间的耦合力的映射关系并且提供单向流固耦合和双向流固耦合流体仿真；

步骤(5)建立低分变率实时仿真和高性能大规模流固交互流体仿真平台：在NVIDIARTX 2080Ti显卡上可以做到100×200×100分辨率的实时仿真，并且其易扩展可以在多节点多GPU上高效并行化实现。

2.如权利要求1所述的一种基于统计动力学的高性能大规模流固耦合流体仿真方法，其特征在于，步骤(2)中，所述通用映射关系为：

式中，t表示真实物理空间的时间，表示LBM空间的参照速度，u_ref表示物理空间的参照速度，Δx表示真实物理空间的空间步长，表示LBM空间的时间，Δt表示真实物理空间的时间步长，表示LBM空间的时间步长，x表示真实物理空间的求解空间尺度大小，表示LBM空间的求解空间尺度大小，表示LBM空间的空间步长，ρ表示真实物理空间的密度，ρ₀表示参照的物理空间的空气密度，表示LBM空间的密度，u表示真实物理空间的速度，表示LBM空间的速度，F表示真实物理空间的单位体积力，表示LBM空间的单位体积力，ν表示真实物理空间的粘度，表示LBM空间的粘度。

3.如权利要求2所述的一种基于统计动力学的高性能大规模流固耦合流体仿真方法，其特征在于，步骤(3)中，在不同尺度的流体结构的边界部分，增加边界的耦合部分，使得流体能够在连续尺度的边界上过渡地更加自然，同时保证空间连续尺度之间的雷诺数一致，根据不同尺度的空间步长的倍数关系，通过通用映射关系中时间步长关系推导不同尺度上迭代次数的倍数k，然后基于倍数k在不同尺度上完成时间同步一致；

时间尺度上基于每个时刻求出在介观尺度下的速度最大值保持在[0.18,0.22]之间，通过通用映射关系中速度映射关系已知LBM空间的速度和以及真实物理空间的速度u求出u_ref，然后更新介观LBM空间的分布，根据新的介观物理量重构介观分布函数f_i，继续进行流体仿真。

4.如权利要求1所述的一种基于统计动力学的高性能大规模流固耦合流体仿真方法，其特征在于，步骤(4)中，所述浸入式边界处理方法包括以下步骤：

首先优化固体网格，基于每个三角形网格采样一点或者泊松采样构造固体拉格朗日网格点集分布，随后将欧拉流体求解网格和固体拉格朗日网格耦合，满足滑动和非滑动的边界条件，利用最小插值内核求解低耗散的流固边界力的分布，其中，r表示插值点到插值中心的距离。

5.如权利要求1所述的一种基于统计动力学的高性能大规模流固耦合流体仿真方法，其特征在于，步骤(5)中，利用玻尔兹曼方程的并行性，通过并行优化可以在NVIDIA RTX2080Ti显卡上做到100×200×100分辨率的实时仿真；基于统一计算架构和消息传递接口并行技术，优化并行实现的数据结构，可以在多节点多GPU的服务器上实现高性能大规模流固耦合的流体仿真。