RB热对流大规模并行计算及其湍流特性研究

Heat convection plays an important role in nature and engineering applications, and attracts attentions on the related researches. The Rayleigh-Bénard convection (RBC) is one of the typical heat convection flows. The present project proposed to conduct the direct numerical simulation (DNS) of the RBC on the huge computer with optimizing parallel computation at the high Rayleigh numbers. The numerical simulation technology for turbulent RB convection will be developed to improve the computational effeciency. Analyzed the structure of very small thermal plumes and discussed the other simulation schemes, the new high-order scheme for the very high Rayleigh number flow will be established and the simulations of the 2-D RB convection in the ultimate regime will be tried. With analysis of the data based of the 3-D RBC, we are going to investigate the structure of the thermal boundary layer, the multi-layer structure of the boundary layer, the Prantle number effects and the global heat transfer. The improvement in computational technology will provide sufficient instantaneous flow and thermal field information for quantifying the characteristics of turbulent heat convections and the structure ensemble dynamics study.

热对流广泛存在于各种自然界运动以及众多工程应用领域中，因此热对流研究具有重要意义。Rayleigh-Bénard 对流（RBC）是热对流研究领域中最为典型的流动现象。本课题拟在超级计算机上进行高Ra数热对流的DNS数值计算，优化大规模并行计算策略，提高计算效率，开展三维BR热对流主特征区的数值模拟。探讨高Ra热对流时细小热羽流特性和结构，借鉴可压缩边界层已发展的多种高精度格式研究，创建新的高阶计算格式，实现更高Ra数热对流的数值模拟计算。在获得丰富的湍流热对流研究数据的基础上，开展湍流热对流的热边界层结构和特性、Ra数及Pr数效应、角涡脱离特性、宏观热传输特性以及热对流内部剖面多层结构等多方面物理特性的研究。本课题的研究将创建新的湍流BR热对流的DNS模拟计算技术，积累大量热对流物理参数场数据，总结提出湍流热对流的流动结构与热传输的物理规律，为热对流的广泛应用提供理论基础。

热对流现象广泛存在于自然界及工程应用领域中，研究热对流现象的物理和流动特性具有重要意义。Rayleigh–Bénard对流（简称“RB对流”）是从众多热对流现象中抽象出来的最为典型的物理模型，由于实验和分析的简便性而备受研究者关注。随着控制参数Ra数的提高，热对流运动中温度羽流和流动耦合，产生多种复杂的湍流流动现象。DNS数值模拟是研究RB热对流物理特性的重要手段之一。本项目针对极高Ra数湍流热对流DNS计算工作量巨大而产生的研究瓶颈，改进数值计算技术，创建了针对湍流热对流DNS模拟的并行直接求解方法（PDM-DNS），自主完成编写了MPI+OpenMP并行的PDM-DNS计算程序，将计算效率提高了一个量级。在“天河二号”超级计算机上，完成系列二维湍流热对流DNS模拟，最高Ra=2x10^13，以及三维热对流的DNS模拟计算，获得了大量的研究数据。在此基础上，展开了湍流热对流传热和流动特性的研究。对高和极高Ra数二维湍流热对流的羽流特性研究，计算Ra数范围10^8≦Ra≦10^13，结果可以看到三种形态羽流运动：大尺度环流和两个角涡、随机运动的条状羽流、相互影响的众多小尺寸旋涡羽流。大尺度环流在一定的Ra数范围发生反转现象，DNS模拟结果揭示反转原因是角涡尺寸不稳定造成的。研究边界层厚度随Ra数的变化特性，并在二维湍流热对流中发现温度剖面存在对数律。展开了系列Pr数二维湍流热对流的计算和流动特性研究。三维热对流的DNS模拟发现，在厚度为1/4的方腔中近底板附近存在发卡型对涡。对比了二维和展向平均三维热对流的流动特性。发现在对流装置中加入顶端有狭缝的竖直隔板可使传热效率倍增，并对其流动和物理特性展开系列研究。PDM-DNS方法已被推广其它课题组，并加入新的计算技术，将其扩展到粗糙底板和滑移边界的热对流DNS计算研究中，已取得阶段性成果。