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基于“神威·太湖之光”的三维有限长方柱绕流直接数值模拟

张亚英 吴乘胜 王建春 金奕星

张亚英, 吴乘胜, 王建春, 等. 基于“神威·太湖之光”的三维有限长方柱绕流直接数值模拟[J]. 中国舰船研究, 2022, 17(3): 205–212 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02595
引用本文: 张亚英, 吴乘胜, 王建春, 等. 基于“神威·太湖之光”的三维有限长方柱绕流直接数值模拟[J]. 中国舰船研究, 2022, 17(3): 205–212 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02595
ZHANG Y Y, WU C S, WANG J C, et al. Direct numerical simulation of flow around a 3D finite square cylinder using the Sunway Taihu Light[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2022, 17(3): 205–212 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02595
Citation: ZHANG Y Y, WU C S, WANG J C, et al. Direct numerical simulation of flow around a 3D finite square cylinder using the Sunway Taihu Light[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2022, 17(3): 205–212 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02595

基于“神威·太湖之光”的三维有限长方柱绕流直接数值模拟

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02595
基金项目: “十四·五”水动力预研资助项目(50907070201)
详细信息
    作者简介:

    张亚英,男,1994年生,硕士,助理工程师

    吴乘胜,男,1976年生,博士,研究员

    王建春,男,1989年生,硕士,工程师

    金奕星,男,1990年生,硕士,工程师

    通信作者:

    张亚英

  • 中图分类号: U661.1

Direct numerical simulation of flow around a 3D finite square cylinder using the Sunway Taihu Light

知识共享许可协议
基于“神威·太湖之光”的三维有限长方柱绕流直接数值模拟张亚英,等创作,采用知识共享署名4.0国际许可协议进行许可。
  • 摘要:   目的  旨在探索基于国产处理器的异构超算平台在船舶水动力学领域的应用效果。  方法  基于“神威·太湖之光”超级计算机,采用MPI+Athread的编程方法,对雷诺数Re=250的三维有限长方柱绕流进行直接数值模拟,并对模拟结果进行验证与分析。模拟使用的网格规模最大达到245.76百万(t=600 s,dt=0.001),并行规模最高达到133 120核。  结果  经统计,在133 120核并行规模下245.76百万网格规模计算能够在数天之内完成。模拟结果显示,在三维有限长方柱绕流流动中,方柱各横截面具有同步涡脱的特征;对比不同长径比方柱绕流尾流场,发现长径比为2时的尾流涡系结构呈现出长直状的流向涡二次结构,而大于2时则为反对称卡门涡。  结论  模拟表明,基于“神威·太湖之光”超级计算机的多级并行计算可有效减少小尺度网格下因规模提升所导致的时间成本,在船舶水动力学领域有较好的应用潜力。
  • 图  1  SW26010处理器结构

    Figure  1.  The structure of SW26010 processor

    图  2  并行计算任务分配示意图

    Figure  2.  Schematics of data allocation in parallel computing

    图  3  采用SIMPLE算法的3D直接数值模拟加速比变化曲线

    Figure  3.  The speedup curves of direct 3D numerical simulation using SIMPLE algorithm

    图  4  有限长方柱绕流3D计算模型

    Figure  4.  The 3D model of flow around a finite square cylinder

    图  5  有限长方柱绕流尾流涡3D结构[6]

    Figure  5.  The wake vortex structure of flow around a 3D finite square cylinder[6]

    图  6  t=450 s时刻流场瞬时涡系结构(Q=0.01)

    Figure  6.  Instantaneous vortex structures at t=450 s when Q=0.01

    图  7  不同网格规模下横向速度时历变化曲线及能谱分析(测点位置:z=2d,y=8d

    Figure  7.  Time histories and energy spectrum analysis of transverse velocity of different grid sizes and where the detection point position is z=2d , y=8d

    图  8  方柱截面涡分布特征

    Figure  8.  The characteristics of vortex on square cylinder cross-section

    图  9  不同高度水平截面上横向速度时历变化曲线及能谱分析(测点位置:z=2dy=8d)

    Figure  9.  Time histories and energy spectrum analysis of transverse velocity on horizontal sections at different heights and where the position of detection point is z=2d, y=8d

    图  10  不同长径比方柱绕流瞬时涡系结构(Q=0.01)

    Figure  10.  Instantaneous vortex structures of flow around a 3D finite square cylinder with different slenderness ratios (Q=0.01)

    图  11  不同长径比方柱绕流横向速度时历变化曲线及能谱分析(截面高度:z/H=0.5)

    Figure  11.  Time histories and energy spectrum analysis of transverse velocity of flow around a 3D square cylinder with different slenderness ratio at the cross-section height of z/H=0.5

    图  12  不同长径比方柱绕流时间平均流场中纵截面流线分布(截面位置:y=8d

    Figure  12.  Streamline distribution of longitudinal section (y=8d) in time average flow field with different slenderness ratios

    表  1  3D顶板驱动方腔流MPI / MPI+Athread并行效率

    Table  1.   The parallel efficiency of MPI/MPI+Athread for 3D cavity driven flow

    网格数/百万MPI / MPI+Athread/%
    进程数4进程数16进程数64进程数128
    1
    (100×100×100)
    93.2/84.8887.14/53.3573.07/28.5050.35/14.78
    3.375
    (150×150×150)
    95.37/87.5789.68/55.2377.39/34.3065.42/20.25
    8
    (200×200×200)
    96.35/90.8491.24/59.4684.31/40.4873.30/24.16
    15.625
    (250×250×250)
    99.94/91.3495.47/62.9587.03/40.8285.98/34.24
    注:并行效率计算参照对象:MPI(单个主核计算耗时);MPI+Athread(单个核组耗时:主核+从核组)
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    表  2  方柱绕流数值模拟的相关参数

    Table  2.   The related parameters of simulation for the flow around square cylinder

    网格数/百万网格
    分辨率
    时间
    步长/s
    Re核数迭代
    步数/s
    耗时/h
    3.84 (240×160×100)0.1d0.00125033 2806×10517
    30.72 (480×320×200)0.05d33 28079
    245.76 (960×640×300)0.025d133 120160
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    表  3  不同网格规模下方柱绕流数值模拟的流场特征频率

    Table  3.   The characteristic frequency of different grid sizes for flow around a square cylinder

    网格数/百万x=15dx=22d
    主频/Hz主频幅值/dB主频/Hz主频幅值/dB
    3.840.129−15.960.129−16.46
    30.720.130−14.080.130−15.70
    245.760.130−13.860.130−14.93
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    表  4  不同长径比方柱绕流流动平均阻力系数及斯特劳哈尔数

    Table  4.   The average flow resistance coefficient and Strouhal number of the flow around a 3D finite square cylinder with different slenderness ratio

    算例H/dStCd
    本文计算20.0951.075
    30.1151.18
    40.1301.245
    文献[10]20.0971.08
    30.1141.16
    40.1241.23
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-17
  • 修回日期:  2022-04-03
  • 网络出版日期:  2022-06-08
  • 刊出日期:  2022-06-30

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