水轮机旋转湍流全欧拉并行多层网格模拟研究

The rotating turbulent flow in hydraulic machinery contains quite complicated multiscale helicity turbulence structures due to the driven rotating and interacting between viscous fluid and impeller structure. This project is to describe geometrical deformation, deformation kinematics and dynamics of the rotating fluidic-solid, such as rotating part of a hydraulic machinery, in Eulerian framework, to formulate a new full Eulerian multiscale stabilized and geometrical shape-preserved method with phase field mixed finite element formulation to study evaluating cascade laws of the different scales in the rotating turbulent flow with high Reynolds number and interactions between helicity and vorticity turbulent structures and fluidic-solid structures. We will develop a new parallelism solver of multigrid method on a CPU+GPU parallel computing platform, for example Shuguang TC2600, to effectively simulate of the full Eulerian rotating turbulent flow with a dynamical fluid-structure interaction. The goal of this project is to explore a development physics of the over-scale structures in the rotating turbulent flow inside a hydraulic machinery, and to develop a CPU+GPU parallelism solver on multigrid method for simulating the rotating turbulent flow.

水力机械流内部旋转湍流与转轮结构互为驱动，互不占优，内含特有的多尺度旋状结构以及流体-结构相互作用的物理力学机制。本项目将在Eulerian框架下描述转轮结构的运动变形及动力学，研究旋转流固体（流体+转轮）在全欧拉框架（Eulerian-Eulerian）下的多尺度建模理论及稳定型数值方法；研究高雷诺数全欧拉场中固体结构几何形状保形的相场变量及数值稳定参数与流场变量的输运关系及保形维稳机制；研究旋转流湍多层网格模拟基于CPU+GPU异构计算体系的高效并行求解器，在大型异构计算机（曙光TC2600）上实现水力机械旋转湍流并行多层网格数值模拟。结合PIV试验，揭示复杂旋转湍流多尺度演化及能谱结构和螺度谱结构相互作用的机理以及旋转湍流与转轮相互作用的物理力学机制。本项研究对推进水力机械内部复杂流动先进数值模拟的发展，提高水力机械运行稳定性具有理论意义和应用价值。

结合项目的研究内容和目标，研究工作取得的主要成果分为三部分。（1）水轮机旋转叶轮FSI建模理论：旋转是水轮机运行的重要特征，在叶轮FSI研究领域，迄今一直未处理好旋转+叶片振动导致的动网格变形与适应问题。本项目提出了适合于水轮机叶轮动网格适应的ALE微分同胚映射模型以及描述叶轮旋转效应的旋转张量，并将二者与流体-固体控制方程在连续介质力学理论框架下结合，建立了首个包含旋转效应以及流体Eulerian网格和固体Lagrangian网格适应信息的水轮机流固耦合理论模型，解决了当前流固耦合理论在同一耦合模型中使用不同描述理论面临的网格适应关键理论问题。（2）FSI先进数值理论与高效解法器：重点开展了FSI解法器及多重网格理论、CPU+GPU异构系统程序设计及代码开发等方面的研究工作。在多重网格光滑理论方面，提出了一种基于局部Fourier分析的磨光算子磨光分析的新方法，得到了相关问题的优化网格特征参数；建立了考虑旋转效应的流固耦合数值模型及相应的计算方法，提出了一个求解FSI离散代数方程的高效解法器，编制了相应的基于FORTRAN的程序代码。据文献分析，本项目研究得到的水轮机旋转FSI数值理论及高效解法器技术，在当前国际上尚无先例。（3）程序实现技术与数值试验：基于提出的FSI理论模型，使用P1/P1单元的压力稳定型离散格式，获得代数方程，设计了新的解法器，并采用两层网格算法开发了计算代码，完成了理论建模研究、高效解法器设计以及程序代码开发的全过程，得到了首个水轮机FSI数值模拟软件系统。项目设计了三个算例，大量数值试验算例结果表明，理论模型具有优良的网格适应性、数值稳定性好、收敛速度快，计算效率高，达到了预期的研究目标。. 项目建立了首个水轮机FSI理论模型、提出了FSI高效计算方法，开发了相应的程序代码；发表标注论文30篇，其中SCI收录5篇，EI收录17篇；获国家版权局软件著作授权1件；培养毕业博士研究生6人，硕士研究生1人。完成了项目计划的研究内容，达到了预期的研究目标。