Microsoft PowerPoint - ACFD-Lecture2016-Note03.pptx
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- 我吏 滑
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1 压力振荡产生的原因 压力梯度 压力 Poisson 方程源项 自由面判断 1
2 压力梯度改进方法 原始 MPS 方法 P P P ( ) ( ) ' D j i i 0 r 2 j ri W rj ri n j i rj ri 改进方法 : D P P P ( r r) ( r r ) j i i 0 2 j i W j i n j i rj ri Tanaka et al. Journal of Computational Physics, 2010, 229(11):
3 压力 Poisson 方程源项 原始 MPS 方法 n n P i t n 2 k 1 * 0 i 2 0 混合源项法 : (1 ) n n 2 0 t t n 2 k 1 P i Vi * 0 i Tanaka et al. Journal of Computational Physics, 2010, 229(11):
4 对压力梯度的测试 静水问题 液舱几何模型 ( 单位 : mm) 4
5 算例压力梯度压力 Poisson 方程源项自由面判断 Shanghai Jiao Tong University Case A1 原始方法 原始方法 原始方法 Case A2 改进方法 原始方法 原始方法 Case A3 原始方法 改进方法 原始方法 Case A4 改进方法 改进方法 原始方法 A 1 A 2 A 3 A 4 5
6 理论值 Case A1 Case A2 Case A3 Case A4 6
7 压力振荡现象与缓解方法 剧烈晃荡问题 液舱运动方式 : x a sin( t) 其中 : a 0.02 m,, n 2 n 液舱几何尺寸 ( 单位 :mm) g h tanh L L 7
8 压力振荡现象与缓解方法 Case 1 Case 2 实验 Case 1 Case 2 8
9 流场瞬间 压力场 自由面粒子 粒子数密度场 9
10 自由面判断 原始 MPS 方法中自由面判断准则 : n n n * 0 i 其中 : 为粒子数密度, 为一个参数, 为初始粒子数密度 n 0 粒子数密度场 10
11 自由面判断 新的自由面判断方法 D 1 F ( r r ) W ( r ) i 0 i j ij n j i ri rj F 表征邻居粒子的不对称性 11
12 自由面判断 新的自由面判断准则 : 0 F F i 其中 : 是一参数, F 等于初始时刻自由面上粒子的 F 0 F 场 粒子数密度场 12
13 原始自由面判断法计算结果 Shanghai Jiao Tong University 新的自由面判断法计算结果 13
14 算例 压力梯度 压力 Poisson 方 程源项 自由面判断 Case A1 原始方法 原始方法 原始方法 Case A2 改进方法 原始方法 原始方法 Case A3 原始方法 改进方法 原始方法 Case A4 原始方法 原始方法 改进方法 Case A5 改进方法 改进方法 原始方法 Case A6 改进方法 改进方法 改进方法 14
15 Case A1 Case A2 Case A3 Case A4 Case A5 Case A6 15
16 实验 Case A1 实验 Case A4 Case A2 Case A3 实验 Case A5 Case A6 16
17 算例 压力梯度 压力 Poisson 方程 源项 自由面判断 Case A1 原始方法 原始方法 原始方法 Case A2 改进方法 原始方法 原始方法 Case A3 原始方法 改进方法 原始方法 Case A4 原始方法 原始方法 改进方法 Case A5 改进方法 改进方法 原始方法 Case A6 改进方法 改进方法 改进方法 改进的 MPS 方法 17
18 已有的改进的压力梯度和压力 Poisson 方程源项能够改善压力场, 但在流动剧烈时改善效果不好 在剧烈流动问题中, 自由面误判成为导致压力振荡的重要因素 本文提出的新的自由面判断方法, 能够较大程度地提高自由面的判断精度 结合新的自由面判断方法 守恒型压力梯度和混合源项法, 构建的改进的 MPS 方法, 较好地抑制了压力振荡现象 18
19 并行计算及效率分析 并行策略 动态负载平衡 并行性能测试 基于 GPU 的并行加速 19
20 并行策略 粒子分解法 区域分解法 20
21 基于背景网格的区域分解法 21
22 基于背景网格的区域分解法 Node 0 Node 1 Node 2 Node 3 22
23 负载平衡 初始时 t=0.0 s 一段时间后 t=0.9 s 23
24 动态负载平衡 Shanghai Jiao Tong University n0 n1 n2 n3 n4 n5 n6 n7 n8 n9 Node 0 Node 1 Node 2 Node 3 N _ proc N _ total/ np 其中 : N _ proc N _ total np 每个进程中的粒子数 整个计算域的粒子数 进程数 24
25 动态负载平衡 Shanghai Jiao Tong University n0 n1 n2 n3 n4 n5 n6 n7 n8 n9 Node0 Node1 Node2 Node 3 N _ proc N _ total/ np 其中 : N _ proc N _ total np 每个进程中的粒子数 整个计算域的粒子数 进程数 25
26 动态负载平衡 静态负载平衡 动态负载平衡 26
27 加速比对比 静态与动态负载平衡时的加速比 27
28 并行性能测试 三维溃坝几何尺寸 28
29 粒子总数 测试环境 天津国家超算中心 CPU 为 Intel Xeon
30 加速比 30
31 并行性能分析 每个时间步的计算 : 粒子搜寻 压力 Poisson 方程 (PPE) 求解 其他步骤 31
32 基于 GPU 的并行加速 ALU Tesla C1060 结构 32
33 CULA 的特点 : 1. 较高的计算效率 2. 支持多种平台,Linux,Windows 和 Mac OS 33
34 实现过程 1. 定义一个 CULA 求解计划 2. 将稀疏矩阵进行压缩, 并与求解计划关联 3. 设置求解条件, 包括收敛残差 最大迭代次数等参数 4. 在 GPU 上执行求解计划 5. 将 GPU 上计算结果传回 CPU 34
35 GPU 加速比分析 算例 Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 粒子总数 粒子间距 (m) Speed-up 35
36 一种基于背景网格的区域分解法 开发了动态负载平衡功能, 获得了较好的并行效率 压力 Poisson 方程是 MPS 的并行效率瓶颈 GPU 能较好地加速压力 Poisson 方程求解效率, 在 MPS 的并行计算中具有很大的潜力 36
37 加速方法 GPU acceleration Acceleration techniques Parallel computation Overlapping technique Multi-resolution technique
38 GPU 加速 GPU acceleration for Poission equation
39 GPU 加速 ALU Tesla C1060
40 并行计算动态负载平衡技术 Parallel computation with dynamic load balance Static balance Dynamic balance
41 并行计算动态负载平衡技术
42 重叠粒子技术 Overlapping Particle technique Overlapping region Coarse particles Fine particles
43 重叠粒子技术 溃坝波 Overlapping region
44 重叠粒子技术 Overlapping region
45 重叠粒子技术
46 重叠粒子技术 波浪在斜坡上破碎过程 Overlapping region Cases Initial particle space (m) Coarse OPT Fine
47 重叠粒子技术 MLParticle-SJTU Overlapping Region MLParticle-SJTU 47
48 重叠粒子技术 Coarse OPT Fine Coarse OPT Fine
49 重叠粒子技术 Coarse OPT Fine Coarse OPT Fine
50 重叠粒子技术
51 多分辨率粒子技术 Multi-resolution MPS The influence domain of particle i contains particles j but not vice versa if these two interaction particles have different interaction radiuses.
52 多分辨率粒子技术 The cut-off radiuses for particle interaction models between two neighbor particles i and j are replaced by following equations respectively: r e r ei + r ej 2 r e_ lap r + r ei _ lap ej _ lap 2 r e _ lap r e _ lap
53 2 0 j i j j i j i i i j i P P L D P W n L r r r r r r j j j i i j j i ij i j i i j m m L L D W m m n L L Modified pressure gradient model and PPE Where: L is the particle diameter j kj ij i j L r r L L j e kj e ij i j L r r L L i ik ij i j L r r L L i e ik e ij i j L r r L L 多分辨率粒子技术
54 多分辨率粒子技术 Computational model Computational parameters Cases Initial particle space (m) Description A Single-MPS A2 0.02/0.01/0.005 Multi-MPS
55 多分辨率粒子技术 溃坝波 MLParticle-SJTU
56 多分辨率粒子技术 Single-MPS Multi-MPS Comparisons of dam-break flows at t g H Single-MPS Multi-MPS Comparisons of dam-break flows at t g H *H is initial water height
57 多分辨率粒子技术 Pressure P1* P2 *The numerical results are evaluated at the bottom of the probe P1
58 多分辨率粒子技术 Water height
59 多分辨率粒子技术 Computation time
60 涌潮波
61 涌潮波
62 Undulation bore flows
63 Undulation bore flows
64 Undulation bore flows
65 Undulation bore flows VOF MLParticle-SJTU
66 Breaking bore flows
67 Breaking bore flows
68 Breaking bore flows Breaking bore flows
69 Breaking bore flows VOF MLParticle-SJTU
70 溃坝波
71 溃坝波 Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Number of particles r
72 溃坝波 MLParticle-SJTU
73 溃坝波 Shanghai Jiao Tong University Case 1 Case 2 Case 3 Case 4
74 Case 4 Case 3 Case 2 Case 1 溃坝波 t g / H EXP Case 4 SPH Fluent t g / H
75 溃坝波与障碍物相互作用 MLParticle-SJTU
76 溃坝波与障碍物相互作用 Exp. (Kleefsman, 2005) MLParticle-SJTU VOF (Kleefsman, 2005) H2 H4
77 溃坝波与障碍物相互作用 P1 Exp. MLParticle-SJTU Original MPS VOF P5
78 溃坝波与障碍物相互作用 (a1) t=0.35 s (b1) t=0.35 s (a2) t=0.70 s MPS (b2) t=0.70 s MLParticle-SJTU
79 甲板上浪
80 甲板上浪 Computational model wavemaker verticalwall m r=0.08m FPSO PR2 dist from deck=32mm PR1 dist from deck=12mm Computational parameters Cases Initial particle space (m) Number of particles Single-MPS , 000 Multi-MPS 0.02/0.01/ , 000 Wave length 2m Wave height 0.16m
81 甲板上浪 Multi-MPS MLParticle-SJTU MLParticle-SJTU
82 Experiment Multi-MPS 甲板上浪 Single-MPS dp = 0.02m* *dp is initial particle space
83 甲板上浪 Shanghai Jiao Tong University Experiment Multi-MPS Single-MPS dp = 0.02m
84 甲板上浪 P1
85 甲板上浪 P2
86 物体出入水
87 物体出入水 Computational model Computational parameters Cases Initial particle space (m) Description C Single-MPS C2 0.01/0.005/ Multi-MPS
88 物体出入水 Multi-MPS MLParticle-SJTU
89 物体出入水 Exp. t = 0.315s Single-MPS Multi-MPS
90 物体出入水 Exp. t = 0.390s Single-MPS Multi-MPS
91 物体出入水 Exp. t = 0.410s Single-MPS Multi-MPS
92 物体出入水 Exp. t = 0.50s Single-MPS Multi-MPS
93 物体出入水 Penetration depths
94 物体出入水 MLParticle-SJTU
95 楔形物体出入水
96 计算工况 : β α 楔形物体出入水 H Water 1 m 3 m Cases α (deg) β (deg) H (m) mass (kg) g (m/s 2 ) ρ (kg/m 3 ) dp Case Case Case
97 楔形物体出入水 case1
98 楔形物体出入水 case2
99 楔形物体出入水 case3
100 楔形物体出入水 Exp. Case1 40 Pressure(Pa) Time(s) Impact pressure (point 1)
101 楔形物体出入水 Case1 Case2 Case3 Pressure(Pa) Time(s) Impact pressure (point 1)
102 楔形物体出入水 Exp.-Force sensor2 Case1-Force sensor2 40 Force(N) Time(s) Impact force
103 楔形物体出入水 Exp. Case1-1 Velocity(m/s) Time(s)
104 液舱晃荡
105 液舱晃荡 d h Excitation frequency Amplitude 0.25 m m 4.49 rad/s 0.05 m Unit: m Summary report of sloshing model test for rectangular model. Kang DH&Lee YB,2005.
106 液舱晃荡 MLParticle-SJTU
107 液舱晃荡 MLParticle-SJTU
108 液舱晃荡 EXP. MLParticle- SJTU Comparison of free-surface profiles between experiment and numerical simulation Summary eport of sloshing model test for rectangular model, Kang DH&Lee YB,2005.
109 液舱晃荡 The translating motions of excitation are: sin y sin sin The rotating motions of excitation are: sin sin sin (m) (m) (m) ( ) ( ) ( ) Case A Case B Case C Case D
110 液舱晃荡 Case A MLParticle-SJTU Case B Case C Case D
111 ( =4.34rad/s) EXP.: Case A MLParticle-SJTU: MLParticle-SJTU
112 ( =4.87rad/s) EXP.: Case B MLParticle-SJTU: MLParticle-SJTU
113 Tank Sloshing naoe-foam-sjtu 液舱晃荡 2.0 MLParticle-SJTU
114 Tank Sloshing naoe-foam-sjtu 液舱晃荡 2.0 MLParticle-SJTU
115 f=0.95hz 液舱晃荡 f=1.0hz f=1.05hz MLParticle-SJTU f=1.1hz
116 液舱晃荡 MLParticle-SJTU
117 Pressure 液舱晃荡 P1 P2 P3 P4 P5 P6 MLParticle-SJTU
118 液舱晃荡 Tank Sloshing with Baffle Plate MLParticle-SJTU
119 Sloshing Flows h=0.15 m h=0.12 m MLParticle-SJTU h=0.08 m
120 液舱晃荡 MLParticle-SJTU
121 液舱晃荡
122 结论 有网格求解器 naoe-foam-sjtu 和无网格求解器 MLParticle-SJTU 都可以有效求解自由面剧烈流动问题 有网格方法数值计算值相对稳定, 但处理自由面变形和动边界问题较为复杂 无网格方法计算量大, 计算值容易发生振荡, 但处理自由面变形和动边界问题较为直接和简单
123 展望 处理外流场问题可以与网格类方法相结合, 远场基于网格法进行计算, 进场采用粒子法, 可考虑将 MLParticle-SJTU 与 naoefoam 结合起来, 充分发挥两个求解器各自的特点 可以推广应用到更为复杂的流动问题, 如带锚链的海洋平台在波浪中的运动或实际船型如 DTMB 5415 KCS 等的操纵性和耐波性问题 123
124 展望 有网格方法与无网格方法结合 C T F C: naoe-foam-sjtu T: Matching zone F: MLParticle-SJTU 124
125 展望 Shanghai Jiao Tong University LNG tank in waves without liquid
126 展望 Shanghai Jiao Tong University LNG tank in waves with liquid
127 展望 Shanghai Jiao Tong University Particle solver (MLParticle- SJTU)
128 What is CFD
129 What is CFD
130 What is CFD
131 What is CFD
132 What is CFD
133 What is CFD
134 What is CFD
135 What is CFD
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38 2 2016 4 -- 1,2, 100190, 100083 065007 -- 0.25 mm 2.0 mm d 10 = 0.044 mm 640 3 300. Richardson--Zaki,,, O359 A doi 10.6052/1000-0879-15-230 EXPERIMENTAL STUDY OF FLUID-SOLID TWO-PHASE FLOW IN A VERTICAL
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