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计算流体动力学:Ch 4-project的发展及应用
软件影响1(2019)100002原始软件出版物Eulerian–Lagrangian fluid dynamics platform: The恩里科·卡尔扎瓦里尼Unité de Mécanique de Lille,EA 7512(UML),Univ.法国里尔,F-59000自动清洁装置保留字:计算流体动力学热对流粒子输运A B标准Ch 4-project是一个正在开发的计算流体动力学代码,用于研究一系列不同的湍流-周期性或有界,热驱动,相变界面-和各种拉格朗日现象,如粒子的输运、混合和聚集。经过介绍本文简要介绍了该项目的起源及其在计算流体力学中的地位,并简要介绍了该项目目前的结构和特点。概述了其在各种专题上的成就,在非理想的高瑞利数对流的全球尺度,在发达的湍流气泡的加速度统计,时间序列分析,从推进探针在流体环境中以及正在进行的研究提供。代码元数据当前代码版本未使用用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/SoftwareImpacts/SIMPAC-2019-1法律代码许可证GNU GPL v3使用git的代码版本控制系统使用C、Python的软件代码语言、工具和服务编译要求,操作环境依赖性mpi,hdf5库如果可用,链接到开发人员文档/手册https://github.com/ecalzavarini/ch4-project/wiki技术支持电子邮件enrico. polytech-lille.fr1. 计算机流体动力学流体动力学研究的现象,其动力学演化方程往往是众所周知的,而其特殊的解决方案是不。这是由于大量的学位流动现象和/或其动力学的固有非线性特征的自由度,这也会导致对初始条件、混沌和湍流行为的敏感性[1]。计算机的出现动摇了这一学科,计算机首次允许通过不同类型的离散技术计算已知动力学方程的近似解[2]。当今流体力学中的数值模拟经常(但不总是)达到数值实验的突出地位,这一地位使它们处于与现实世界实验相同的认识论水平。许多计算流体动力学(CFD)[3]代码和软件目前可用于研究流体相关现象,范围从工业中广泛使用的商业代码到社区或开放代码。虽然CFD工具的标准化电子邮件地址: e n r i c o . polytech-lille.fr。网址:https://www.ecalzavarini.info。https://doi.org/10.1016/j.simpa.2019.100002在学术界也是如此,这个社区依赖于不太标准化的工具。其原因是科学研究所固有的:一方面,新方法的优化和开发是一个活跃的研究领域,另一方面,学者需要对所采用的算法进行完全控制,这与研究的可重复性密切相关(参见例如,[4]讨论。ch 4-project属于计算机类为学术界的流体动力学研究量身定制的课程。自2012年底以来,它一直是一个从欧拉和拉格朗日角度研究湍流现象学的平台,用户主要是研究生或初级研究人员。这种类型的CFD研究代码需要具有一个关键功能:它必须具有足够灵活的设计,以适应代码开发之初不一定计划这个领域的主要研究人员的梦想是不必为每个项目和他/她自己团队的初级研究人员在这方面,接收日期:2019年5月11日;接收日期:2019年5月22日;接受日期:2019年5月29日2665-9638/©2019作者。由Elsevier B. V.发布,这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表软件影响杂志首页:www.journals.elsevier.com/software-impactsE. 卡尔扎瓦里尼软件影响1(2019)1000022面向对象的模块化代码结构将是理想的,但这使得代码不太容易被经验不足的用户修改。这里所做的选择是依赖于系统地使用XML语言预处理指令和分层命名约定,以便在编译时以类似模块的方式配置所需的模拟设置。我们采用消息传递接口(MPI)的并行化任务和分层数据格式(HDF 5)库的处理大规模并行输入/输出,现在标准的CFD环境。2. 代码结构和功能欧拉部分的代码的骨干是一个格子Boltzmann(LB)方程求解器,用于模拟弱可压缩LB算法是基于标准的流和碰撞实现,在均匀的Carnival网格上使用单个弛豫时间碰撞算子[5]。然而,算法的有限体积公式(允许网格细化[6])和双弛豫时间碰撞算子[7]可以可选地激活。默认的速度晶格拓扑结构在二维系统中有9个微观分布(在LB行话中称为种群此外,最多可以打开两个标量场的对流扩散动力学。默认情况下,第一个标量被假设为第一个是温度场,第二个是无源标量浓度,但该设置可以很容易地修改。标量场也通过LB算法演化,遵循所谓的多种群方法[7]。最常见类型的边界条件,无滑移或自由滑移的速度场和Dirichlet或Neumann标量,可以使所有平面边界沿carnival方向。标量的流体强迫和源项允许在统计均匀和各向同性条件下模拟湍流,用于层流或湍流通道流以及Oberbeck-Boussinesq近似中的热驱动流还实现了用于熔化或凝固相变动力学模拟的基于焓的算法[8]。这些特性可以在编译时通过定义预处理器标志来启用。拉格朗日部分的代码演变的点状粒子的动力学描述的常微分方程。颗粒以单向方式耦合到流场,这意味着它们对速度、流体密度或标量浓度场没有反馈。最简单的动力学方程是一个拉格朗日流体示踪剂,这是通过线性插值实现的 在二维/三维的流体速度场的粒子位置和二阶亚当斯-Bashforth时间步进。惯性粒子动力学通过Maxey-Riley-Gatignol方程的实现来解释更具体地说,我们考虑了有/无Shiller-Naumann校正的Stokes阻力历史力和Faxén条款目前尚未实施。可以给粒子添加几个内部自由度,例如解释其空间方向的自由度,其演化由Jeffery方程[13]模拟,或与粒子位置处的标量值相关的其他自由度。此外,人们可以激活粒子上的所谓推进项,以模拟运动粒子,例如用于微生物基本建模的粒子[14,15]。该代码的拉格朗日部分具有充分模块化的结构,包括(i)场插值,(ii)评估流体动力(iii)时间积分,以允许粒子运动方程的未来变化和增加。拉格朗日算法的一个显着特点是能够同时模拟不同类型的粒子。这允许在单个模拟实验中探索大的粒子参数空间(参见例如,[16])。ch4项目代码产生两种类型的输出:(i)运行时计算的平均量(ii)场和粒子原始数据。的第一个设置是ASCII格式的,用于监视和诊断模拟过程中可能出现的问题。它们包括在规定的速率下的瞬时和累积时间空间平均值第二套,可以保存在磁盘上,在一个独立的可调率.它们采用HDF5格式,可以用目前最常见的科学软件进行解释和可视化。图1显示了从各种模拟系统的输出数据中获得的可视化图库。此外,还提供了一组Python语言的后处理例程。这些脚本工具可执行标准任务,例如更改空间分辨率 从数据库中提取单个粒子的轨迹,或在湍流中进行自定义统计分析(时间相关性、结构函数、成对分布函数等)。最后,介绍了并行化策略:在规则的二维/三维笛卡尔网格上使用空间模拟域的分解。LB算法自然允许在网格上(而不是在平板或铅笔上)进行区域分解,因为与大多数其他CFD方法不同,它只涉及位于子域边界处的数据交换,不需要长距离通信。每个粒子的演化的计算也执行相同的区域分解。然而,在代码中存在全对全MPI通信,以在每个时间步的并行进程之间共享离开/进入子域的粒子。这比仅在相邻子域的边界上交换粒子效率更低。此选择允许使粒子在边界处消失/消亡,并在域的任何其他位置重新生成(在应用程序中可能有用的功能)。计算的拉格朗日部分的代码的开销增长近似线性的粒子数,并依赖于敏感的粒子演化方程所涉及的字段插值和操作的数量。3. 影响概述ch4程序最初是为研究湍流热对流而设计的。它的第一个应用是模拟本研究比较了标准流-碰撞LB格式与基于有限体积离散化的原始变体的精度和计算成本,该原始变体允许容纳在壁处具有分辨率细化的Carnival网格[6]。尽管后一种方法的兴趣,它表明,在可比的或甚至更小的计算成本的标准算法是受数值不稳定性。然而,这第一个LB有限体积方案的概念验证在一个发达的湍流设置刺激了其他研究人员进一步改进[17]。该代码后来在一个合作项目中使用,涉及模拟和实验,旨在表征在施加倾斜角的影响下,具有侧向无滑移绝热壁的Rayleigh-Bénard立方体单元的全局传热的变化。该研究解决了高粘性流体(相对于热扩散率)和同时高湍流状态的未探索情况。相关的条件,例如在火山岩浆房(瑞利和普朗特数是分别为10.9万美元、500万美元)。 数值结果与实验它们可以显示出令人惊讶的是,对于大倾角发生的湍流强度急剧降低,全局热传递的敏感性很小[18]。在一个由地球物理应用激发的研究项目的框架内采用ch 4-project程序对固体颗粒由湍流热对流驱动的到液体的熔化以这样的E. 卡尔扎瓦里尼软件影响1(2019)1000023图1.一、 从二维(顶行)和三维(底行)的不同模拟中获得的可视化画廊 :(a)层流稳定细胞流中的 各向异性棒状颗粒;(b) 在Rayleigh(Ra)数为10 9时,二维Rayleigh-Bénard湍流系统中的热能耗散率熔融相变;(d)Taylor-Reynolds数(100)下均匀各向同性三周期湍流中耗散尺度气泡的瞬时分布������������;( e ) = 10 10 时 壁 面 网 格 加 密 的 三 维 Ra y l e i g h - B é na r d 系 统 中 的 温 度 场 ; ( f ) St e f a n 数 ( 1 ) 下 对 流 熔 化 中 的 固 - 流 界 面 。条件下的流动是非平稳的,可变的湍流强度和封闭的不规则端部不断演变的边界几何形状。数值结果表明,尽管流动复杂,但熔化速率仍然可以通过为标准Rayleigh-Bénard系统[ 8 ]开发的热流标度律很气泡和小惯性球形颗粒在均质各向同性湍流中的分散问题一直是另一项合作研究。在这种情况下,大量(1010- 6)的小惯性粒子的轨迹被跟踪到一个发达的湍流在立方三周期域。这项研究的重点是测量气泡的加速度波动,比流体密度大的小物质颗粒。模拟允许解释早期的实验测量亚毫米气泡在湍流通道流中的分散。该研究表征了加速度的统计特性,并表明即使是微气泡/颗粒也不能被视为无偏差的流体示踪剂替代物[16]。另一项由海洋科学应用激发的工作解决了对推进式探测器记录的信号的研究,这些探测器漂移并被发达的湍流平流输送。目的是了解在增加探测器推进速度时,在标量(例如微生物化学品或污染物)浓度的测量中引入了哪些偏差。为此,进行了一系列的模拟的平流和扩散的被动标量场在一个三周期的湍流箱连同跟踪的点状无惯性探针。该研究可以表征混合拉格朗日-欧拉测量的统计特征该程序目前用于研究湍流中各向异性颗粒的动力学。除了与不规则形状颗粒的流体平流相关的广泛的工业和环境应用外,该主题已被证明在理解湍流的小尺度特性方面也是有用的[20]。粒子的平均旋转速率实际上是由空间流体速度梯度的拉格朗日统计决定的。这条相对较新的线在理想化均质和各向同性湍流背景下开始的研究[21],需要扩展到更现实的流动条件。在这种情况下,ch4-项目是一个合适的工具,它目前被用来探索热驱动流中各向异性颗粒的取向演化另一个正在进行的项目涉及在与行星岩浆海洋分离结晶的地球物理问题有关的条件下,微小球形晶体在热对流湍流中的沉降过程[22]。总之,ch 4-project是一个免费的、经过充分验证的流体动力学数值平台,已被证明在湍流、热驱动流和各种相关拉格朗日输运问题领域有效地进行了原创性研究。竞合利益没有人申报。确认该项目得到了法国敦刻尔克Innocold财团的支持;法国国家研究机构(ANR),赠款(SEAS:ANR-13-JS 09 -0010);国家科学研究中心(CNRS)计划Défi INFINITI 2018。我希望能和我以前的学生们一起学习.Shrestha和B.Rabbanipour Esfahani为代码的开发和测试做出了贡献引用[1]T.玻尔,M.H.詹森湾,澳-地Paladin,A. Vulpiani,湍流动力系统方法,第 二版,剑桥大学出版社,2005年。[2] P. 林奇,计算机天气预报和气候建模的起源,J。Comput. Phys. 227(7)(2008)3431 http://dx.doi.org/10.1016/j.jcp.2007。02.034[3] J.H.费尔齐格,M。Peric,流体动力学计算方法,第三版,Springer,2001年。[4] O.洛杉矶梅斯纳德Barba,可再现和可复制的计算流体动力学:这比 你 想 象 的 要难 , C o m p u t 。Sci. Eng. 19(4)(2017)44[5] S. Succi,晶格玻尔兹曼方程:流动物质的复杂状态,第一版,牛津大学出版社,2018年。[6] K. Shrestha,G.Momnesi,E.Calzavarini,卷式与基于流的用 于 流 体 动 力 学 模 拟 的 晶 格 玻 尔 兹 曼 算 法 : 一 对 一 的 准 确 性 和 性 能 研 究 ,Phys.Rev.E93(2016)023306,http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevE.93.023306。[7] T. Krüer,H. Kusumaatmaja,A. Kuzmin,O. Shardt,G.席尔瓦,E。Viggen,格子玻尔兹曼方法-原理与实践,第一版,Springer,2016.E. 卡尔扎瓦里尼软件影响1(2019)1000024[8] B. Rabbanipour Esfahani,S.C. Hirata,S. Berti,E. Calzavarini,湍流热对流驱动的基底熔化,Phys.Rev.Fluids3(2018)053501,http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevFluids.3.053501。[9] M.R. 张 文 龙 , 非 均 匀 流 场 中 刚 性 球 的 运 动 方 程 , 流 体 力 学 ,2001http://dx.doi.org/10。1063/1.864230。[10] R. Gatignol,非定常非均匀Stokes流中刚性颗粒的Faxén公式,J。Méc. 泰奥Appl. 1(2)(1983)143[11]E.卡尔扎瓦里尼河Volk,E. Leveque,J.-. F. Pinton,F. Toschi,尾流阻力对湍流中有 限 尺 寸 颗 粒 的 统 计 特 性 和 动 力 学 的 影 响 , Physica D 241 ( 3 ) ( 2012 )237http://dx.doi.org/10.1016/j.physd.2011.06.004[12] T. 杨 文 , 旋 转 流 场 中 球 体 上 的 升 力 , 流 体 力 学 杂 志 。183 ( 1987 )199http://dx.doi.org/10.1017/S002211208700260X[13] G.B.沈国忠,粘性流体中椭球粒子的运动,中国科学院学报,2001。Soc. A 102(715)(1922)161http://dx.doi.org/10.1098/rspa.1922.0078[14] T.J. Pedley,J.O.Kessler,游泳微生物悬浮液中的流体动力学现象Rev. FluidMech.24(1)(1992)313http://dx.doi。org/10.1146/annurev.fl.24.010192.001525。[15] H. 阿尔代希里岛F.G.本凯达德Schmitt,S.Souissi,F.Toschi,E.Calzavarini,桡足类动力学的La- grangian模型:湍流中逃逸跳跃的聚类,Phys. Rev. E 93(2016)043117,http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevE.93.043117。[16] V. Mathai,E. Calzavarini,J. Brons,C. Sun,D. Lohse,微气泡和微粒不是湍流 加 速 度 的 忠 实 示 踪 剂 , Phys.Rev.Lett 。 117 ( 2016 ) 024501 ,http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.024501。[17]J.T. Horstmann , T.L. Garrec , D. C. Minu 、 E. Lévêque , Hybrid simulationcoming- bining two space-time discretization of the discrete velocity Boltzmannequation,J.COMPUT.349(2017)399http://dx.doi.org/10.1016/j.jcp.2017.08。029.[18] L.江角,澳-地孙,E. Calzavarini,高普朗特数下受限倾斜对流换热的鲁棒性,Phys.Rev. 鄂99(2019)013108,http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevE.99.013108网站。[19] E. Calzavarini,Y.X. Huang,F.G. Schmitt,L.P. Wang,湍流中的推进微探针,Phys.Rev.Fluids3(2018)054604,http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevFluids.3.054604。[20] G.A. Voth,A. Soldati,湍流中的各向异性颗粒,Ann. Rev. Fluid Mech. 49(1)(2017)249http://dx.doi.org/10.1146/annurev-fluid-010816-[21] S. Parsa,E. Calzavarini,F. Toschi,G.A.张文,流体力学,第一卷,第二卷,第三版。109(2012)134501,http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.134501。[22] V. Patocka,E. Calzavarini,N. 陶锡,湍流对流中密度和尺寸变化的晶体沉降,地球物理。Res.Abst.21(2019)EGU2019https://meetingorganizer.copernicus.org/EGU2019/EGU2019-5752.pdf
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