道格拉斯L.桑达克和埃里克布里森-波士顿大学
在Cantwell和Coles的实验澳门威尼斯人注册网站研究条件下,模拟了右圆柱体上的涡落(“圆柱体湍流近尾流中的夹带和输运实验澳门威尼斯人注册网站研究”,《流体力学杂志》,1983年第136卷,第321-374页)。基于气缸直径的雷诺数为1.4 × 10e5,进口马赫数为0.04。采用非定常、湍流、三维有限差分流动求解器OVERFLOW进行仿真。
Cantwell和Coles分别在绝对参考系和与涡街对流的参考系中给出了尾迹中测量到的雷诺应力。当前(正在进行)项目的最终目标是确定流动求解器复制雷诺应力的能力。
在实验雷诺数下,流动在圆柱体上呈层流,并在尾迹中经历过渡。在初始模拟中,没有使用湍流模型。这将显示由于大尺度(分解)涡流的混合而导致的雷诺应力的比例。
数值方法
模拟中使用o型网格,尺寸为401x101x301(分别为周向、沿柱面长度和垂直于表面),总共约12x10e6个网格点。使用隐式块三对角线求解器,对流项的Roe差分和粘性项的中心差分。区域的外缘距圆柱体十倍直径。外边缘采用特征边界条件,圆柱表面压力采用零阶外推的无滑移条件。其余边界处采用周期边界条件。
计算
模拟是在波士顿大学的IBM Blue Gene计算机上进行的,该计算机使用256个处理器。对于这种网格大小,OVERFLOW不会使用超过256个处理器,因为代码中的启发式推断每个处理器上执行的工作不足,从而导致并行效率低下。
每个Blue Gene节点有512兆内存和两个处理器。蓝色基因可以在“协处理器模式”下运行,每个节点只使用一个处理器,或者在“虚拟节点模式”下运行,每个节点使用两个处理器。在虚拟节点模式下,每个处理器可以访问节点的一半内存。由于当前仿真中每个处理器需要256 MB以上的内存,因此使用了协处理器模式。每一个时间步骤需要大约1.75秒的挂钟时间。
结果
瞬时压力等值面如图1所示。层流边界层分离,在柱体正后方形成复杂的流场。近尾迹中的涡度最终卷起,在图的区域之外形成涡街。
图2显示了跨度中熵的瞬时轮廓。在这个视图中,在上边界层分离点的下游可以观察到小涡。这些“二次涡”已经在实验澳门威尼斯人注册网站研究中被观察到(例如,Wei, T.和Smith, C. R.,“圆柱尾流中的二次涡”,《流体力学杂志》,1986年第169卷,第513-533页)。在大约一个直径的下游,可以看到从较低边界层脱落的次级涡合并成旋涡街的较大涡。
工作流图
使用了大量的硬件和软件资源来执行此模拟并创建相关图形。图3所示的“工作流图”说明了这个过程。
由于此配置的几何结构简单,因此用Fortran编写了一个代数网格生成器,并在8处理器IBM p655的单个处理器上运行。使用Matlab绘制二维网格截面,也在p655上,以检查正确性。网格文件随后被传输到1024节点(2048处理器)的Blue Gene,在那里模拟在256个处理器上执行。
最初,每隔100个时间步随机保存一个OVERFLOW解决方案。编写Matlab程序,在溶液垂直于圆柱体轴线的二维表面上创建熵的等高线图(如图2)。图像将显示在深度视觉显示墙上,要求分辨率为2048×1536。Matlab程序中的图像保存为tiff格式,因为这样可以方便地设置所需的分辨率。一组最初的tiff图像被传输到PC上,并使用Adobe Premiere以每秒30帧的速度制作动画。基于这个初始动画,我们决定选择更精细的分辨率,因此对于最终产品,OVERFLOW解决方案每隔75个时间步保存一次。使用圣地亚哥超级计算中心的图像工具将tiff文件转换为ppm格式,以便在显示墙上使用。
除了2D轮廓图电影外,还制作了压力等值面的动画来显示模拟中变化的3D结构。使用IDL对每个解进行处理,生成固定阈值的等值面。由于IDL没有用于处理曲线网格的等值面函数(例如执行模拟的曲线网格),并且我们不希望重新采样数据,因此需要基于现有IDL函数开发一个例程来处理曲线网格。生成的几何图形被保存并转换成Maya可以读取的文件格式。对于每一个时间步,Maya被用来为每只眼睛生成一个大的图像,使用一个具有对称截锥体的相机,以2088×1536的过宽分辨率。这些裁剪使用图像工具,以产生正确的不对称截锥体的效果,分辨率为2048×1536。在这一步中,图像格式也被转换成一种可以被用于深度视觉显示墙的电影处理程序读取的格式。
漩涡脱落电影
下面的电影最初是在2005年超级计算会议上以2048 x 1536的分辨率在我们的旅行高分辨率立体显示器上以立体声播放的。对于这里的网页版本,它们已经被降采样到720 x 540单声道,并在微软AVI和苹果Quicktime格式可用。Quicktime版本的质量稍高,但文件大小也大约是Quicktime版本的5倍。
压力等值面显示了一个非定常的,三维模拟的空气流过一个圆柱在雷诺数为140,000。筒体后分离流区存在复杂的涡度系统。在圆柱轴方向上存在着高度的结构,这表明了二维模拟这种流场的局限性。这个动画的实时长度是0.79秒。(81MB AVI, 567MB QuickTime)
如上所述的三维圆柱体流动模拟的二维跨中切片的熵等高线。从边界层与柱体分离的位置可以清楚地识别出二次涡。这些小漩涡结合在一起,在下游形成了冯·卡门漩涡街。此动画的实时长度为2.02秒。(261MB AVI, 1.16GB QuickTime)