气膜冷却掺混机理的大规模高性能数值研究

【作者】 上官燕琴； 王娴； 李跃明；

【机构】 西安交通大学航天航空学院；

【摘要】 为精确获得不同倾斜角对气膜冷却掺混特性的影响规律,本文充分利用格子Boltzmann方法的天然并行性,结合多GPU并行技术,使用1.65×10~9网格,分别对五种不同倾斜角(15≤a≤90)的平板气膜冷却进行了大规模高性能数值模拟研究。重点分析了不同倾斜角对气膜冷却的定量非稳态特性及涡系结构的影响。根据计算结果,本文首次将气膜冷却流场分为三个区域:剪切区,旋转区,耗散区。在剪切区内,高温主流与冷却射流之间的剪切作用最强,掺混不剧烈,冷却效果最好;在旋转区内,主流与射流加剧掺混,冷却效率持续降低;在耗散区内,主流与射流经历了剧烈的掺混过程之后,湍流耗散将在此区域内起主要作用,气膜冷却效率降至最低。结果还表明,倾斜角增大,主流与射流之间的剪切作用增强,掺混加剧,展向扩散效应增强,气膜覆盖面积减小,气膜稳定性降低。此外,格子Boltzmann方法与多GPU并行技术的结合,使本计算性能高达1289.3MULPS(12个K20M GPUs并行计算),即每秒更新个LBM网格点的数据,该高网格分辨率非稳态流动传热数值模拟仅在数小时内完成。更多还原