非结构CFD并行网格变形算法及其应用
气动外形优化设计和气动弹性计算等CFD数值模拟应用通常涉及边界运动，且这类航空航天计算一般是在跨/超声速等可压缩条件下进行。本文面向运动边界的可压缩流动问题，基于非结构网格和有限体积方法，对其中核心的网格运动算法和流场求解方法进行了深入研究，提出了一系列高效的并行网格变形算法和基于密度的可压缩隐式并行求解方法，并应用于翼型俯仰振荡和气动外形优化等问题。本文主要工作和创新点如下： 1)针对目前应用广泛的RBF径向基函数插值网格变形算法，对其中的贪心筛点数据减缩算法进行优化改进，提出了一种充分利用上一步结果的增量求解方法，提高了插值函数系数的求解效率。在保持算法鲁棒性的同时为进一步提高其并行计算效率，针对预先已知和不可预知的运动边界问题提出了两种并行算法。基于OpenFOAM开源CFD框架对改进的RBF并行算法进行了实现，通过典型算例测试分析了该算法的变形能力，其计算效率提高了将近一倍。 2)通过进一步放松贪心筛点RBF变形方法的约束条件，提出了基于SVM支持向量机的并行网格变形算法。基于OpenFOAM框架实现了SVM并行网格变形算法，通过测试分析，给出了该机器学习方法应用于网格变形时的参数设置策略。量化对比分析了SVM与RBF网格变形算法在变形能力、控制点选取以及计算效率等方面的性能，在三维大规模算例其变形效率提高了六倍。 3)首次在OpenFOAM框架中采用任意拉格朗日—欧拉(ALE)方法实现了一种基于密度方法的LU-SGS隐式并行求解器，弥补了OpenFOAM软件在可压缩动边界问题方面的应用缺陷。实现的一系列求解器可灵活耦合不同数值方法、湍流模型和网格变形算法，可应用于定常和非定常、层流和湍流、静止和运动网格等各类流动问题，通过多个算例验证了求解器的可用性和并行性能。 4)首次深入系统对比分析了OpenFOAM和SU2这两个开源CFD软件在框架组成、算法类型、数据结构和应用领域等方面的特点，为基于CFD框架开展研究给出了相关指导。基于SU2软件平台，将CFD数值模拟技术、自由变形几何外形参数化方法、连续伴随方法和提出的SVM网格变形算法相结合，成功实现了翼型的气动外形优化设计。
网格变形;径向基函数;支持向量机;并行计算
国防科学技术大学
博士
计算机科学与技术
王正华
2018
中文
O35;TP181
2020-04-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）