并行计算用于叶轮机械流场特性分析

    1前言

    为了提高叶轮机械通流部分的气动设计水平，工业界与学术界都将目标集中在基于求解全三维Navier-Stoke、方程的优化设计体系上[fil其中最关键的环节是高精度、超快速的全三维粘性流动的求解过程。叶轮机械在全工况下运行时，内部流动产生的非定常气动力作用于转子，引起机械振动，机械振动反过来又会影响流场。将计算流体力学(CFD)和计算结构力学(CSD)结合起来，研究流场与叶片振动的相互作用关系，可以深入地研究叶片失速颤振的机理[(2J。其中最关键的环节仍然是高精度、超快速的CFD与CSD的求解过程。本文的目的就是要应用分区处理以及分布式并行计算技术，发展一种支持叶轮机械三维优化设计体系的基于微机网络并行环境下的高精度、超快速的全三维粘性流动的数值分析方法。

    2数理模型和计算方法

    2.1数学物理模型

    分析叶轮机械内部可压缩流动的基本方程采用相对坐标系中的平均Navier-Stokes方程，它们描述了流动介质的质量守恒、动量守恒和能量守恒。近年来，基于涡旋粘度假设的双方程湍流模型发展很快，这大概是由于双方程湍流模型既能有效的模拟分离流、剪切流等复杂的流动问题，而模型又不过于复杂而易于实际工程应用。本文采用了Coakley的低Reynolds数q一、双方程湍流模型(3]，井考虑了可压缩湍流的影响。对于具有任意形状的叶轮机械内部的求解域，为了边界条件处理方便，将流动控制方程从直角相对坐标系统转换到了非正交任意曲线相对坐标系统。

    2.2数值计算方法

    本文作者之一多年从事热力叶轮机械CFD研究，系统地提出了一套有自己特色的高精度、高分辨率、高收敛率的非定常全三维粘性流动数值计算方法，研发了具有自主知识产权、可靠的叶轮机械流场特性分析软件。为在微机网络环境下进行分布式并行计算，研发了该软件的“粗粒度并行版”。整个软件包括如下特色:用LU-SGS-GE隐格式[’]处理差分离散方程的左端项;采用改良型高阶、高分辨率MUSCL TVD格式[s]处理差分离散方程的右端项;采用Crank-Nicholson方法和Newton迭代处理非定常粘性流动;采用自行开发的Windows环境下基于Winsock的粗粒度并行平台[s)

    3并行计算的硬件支持

    由于单台微机(PC)计算能力有限，而有强大计算能力的超级计算机又过于昂贵，所以基于通用网络的并行计算倍受关注。各大计算机厂商纷纷建立自己的“网格计算”(grid computing)程序，如Sun ,IBM ,   Compaq等，将实验室中各种PC组合在一起，实现巨大的计算能力。同时，大量更通用的并行计算支撑平台也不断涌现，如Windows Sockets、MPI ,   PVM等。透过这些平台以及硬件网络，我们同样能够联接多台PC实现并行计算。本文采用Windows Sockets做为网络通讯平台，在6台配置相同PC机上实现了并行计算，各PC机的配置均为:双PIII 1Ghz CPU+DDR2fi6 1Gb内存，各计算机之间采用LinkSYS的100MB交换机进行联接。