用晶格玻尔兹曼方法研究滚法推拿

用晶格玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method-LBM )研究血液微循环中血液的运动,通过将毛细血管近似为弹性管,把血浆和红细胞内容物视为不可压缩的牛顿流体,而其中膜和毛细血管用曲线边界条件实现,流体对膜的作用力并用压力张量积分法计算.运用让弹性管发生周期性的形变模拟中医滚法推拿的手法,探索中医推拿的活血化淤的原理和微循环的机理.     

锥形管中血液栓塞的晶格玻尔兹曼方法

针对血液循环中血液栓塞问题,基于晶格玻尔兹曼方法建立二维锥形管模型,以不可变形的多个刚性粒子代表红细胞模拟血液在锥形管中的栓塞,考察粒子在流场中的平均速率,对粒子在管道中的运动进行跟踪,统计粒子在管道中的位置,求出粒子在管道不同水平位置的容积率,并记录栓塞瞬间整个管道粒子的分布情况。研究结果表明,压积越大越易发生栓塞,压差越大越不易发生栓塞,锥形管的出口处容易发生栓塞。     

血液在分叉管栓塞的晶格玻尔兹曼方法研究

基于对血栓形成机理问题,建立了血液在分叉血管中流动的晶格玻尔兹曼模型,研究在不同压差、压积下血栓的形成机理。模型用刚性小球代替红细胞,为了使模拟更符合实际,在管壁与小球之间增加了摩擦力。结果表明,压积越大越容易发生堵塞,压差越大越不容易发生堵塞,在入口以及分叉处最易发生堵塞。     

用晶格玻尔兹曼方法进行气液相变虚拟实验

用晶格玻尔兹曼方法真实地再现了过饱和气体成核凝结成液滴的过程.通过用品格玻尔兹曼方法接近真实地模拟气液相变虚拟实验,创造性地将复杂系统模拟方法用于大学物理虚拟实验,可以有效地给学生创设了建构知识的学习环境.     

用晶格玻尔兹曼方法研究粒子在脉动压差下的运动

用晶格玻尔兹曼方法模拟脉动流场的形成过程中,发现脉动流场也是一个个的闭合环,但是由于受到入口脉动压差影响,涡流场不是一个完全稳定状态,而是在不断波动变化的.基于最近点法模拟单个粒子在涡流中的运动情况,发现粒子在涡流场中的运动呈现波动的形式,受到入13压强周期性扰动的影响,粒子的水平速度、竖直速度、角速度也呈周期性变化.     

基于晶格Boltzmann方法的CUDA加速优化

为提高流体的计算效率并保证结果的准确性,利用CUDA编程平台和GPU强大的浮点计算能力,实现了基于晶格玻尔兹曼方法的泊松流模拟计算加速。设计了线性寻址和下标寻址2种不同寻址方式,将这2种寻址方式分别应用到晶格玻尔兹曼程序的格点碰撞、迁徙流动、宏观量计算等步骤中,并探讨2种寻址方式对程序计算效率带来的影响。同时在程序中使用统一内存管理,通过这样的方式开辟内存的变量可在主机端和设备端同时使用,简化了代码复杂度,同时降低了频繁为变量开辟内存带来的消耗。使用Intel~?Xeon~?E-52620 v4 CPU,Nvidia Quadro GP100 GPU进行计算,在线性寻址方法和下标寻址方法中分别获得了71倍和25倍CPU串行代码的加速比。     

基于格子玻尔兹曼方法的侧窗水相分析与控制

侧窗雨水污染会损害侧窗的清晰度,进而影响汽车的安全驾驶. 针对汽车雨天行驶时侧窗水污染问题,将空气动力学与多相流理论结合,采用格子玻尔兹曼方法求解汽车瞬时外流场,拉格朗日方法求解液滴运动,获得液滴运动轨迹和侧窗区域水相分布情况. 分析得到侧窗区域水污染的影响因素及产生机理,在此基础上对A柱型面进行改型,对比不同改型方案的侧窗区域水相分布情况以及污染面积. 研究结果表明,在4种A柱方案中,方案2侧窗视野最佳,水相覆盖率为38.2%,较basic模型降低了19.2%.     

用格子玻尔兹曼方法研究粒子在涡流中的运动

格子玻尔兹曼方法是一种新的流体数值计算方法,它具有形式简单、相互作用局域、完全并行、边界条件易于施加等特点.基于此方法建立了粒子在涡流中运动的二维模型,其中粒子被看作刚性小球,涡流由开有出口和入口的空腔产生.研究中发现粒子的运动轨迹呈螺旋线状,随着运动轨迹半径逐渐增大最终流出涡流,粒子在涡流中的运动时间与其初始位置相关,粒子距涡流中心越近粒子的运动时间越长.此模型也可以用来研究血细胞在血管中的运动.     

LBM晶格结构对纳米薄膜超快传热过程影响

超快激光加热技术在微纳米器件制造中发挥着重要作用,研究超快激光作用在靶体内部的超快传热过程对器件的热设计有着重要意义。文章基于格子玻尔兹曼方法研究了纳米薄膜的超快传热过程,围绕不同晶格结构对比分析了纳米薄膜内部的能量密度分布,探索了薄膜内部的声子输运特性。结果表明：纳米薄膜受到激光加热后,在应用D2Q9和D2Q5模型得到的结果中,薄膜内部能量均以“波状”形式传递且整体趋势相同,但D2Q9模型得到的数值要略低于D2Q5模型;通过对比应用D1Q3与D2Q9模型得到的结果,发现沿薄膜厚度方向上的能量密度差异较大,说明研究纳米薄膜内部超快传热过程时,不能忽略沿薄膜径向传递的能量。     

Lattice Boltzmann 方法应用实例——水电站水击计算

建立了模拟水电站水击的一维ＬａｔｉｃｅＢｏｌｔｚｍａｎｎ（ＬＢ）模型，给出了基本原理、方法和步骤，并通过实例计算与特征线法进行了比较．分析表明，ＬＢ方法效果很好，将之引入水电站流场模拟是可行的，值得进一步探讨．     

基于格子Boltzmann方法的倾斜方腔自然对流模拟

采用格子Boltzmann方法对二维封闭方腔自然对流换热进行研究. 通过数值模拟得到在不同Ra数和倾斜角θ下,封闭方腔内的流场、温度场的变化情况. 再根据流场、温度场分析Ra数、倾斜角θ对封闭方腔自然对流换热的影响. 结果表明,Ra数的增大会增强自然对流换热,而倾斜角的增加使得自然对流换热增减交替,当倾斜角为90°时,自然对流换热最弱.     

基于格子Boltzmann方法后台阶流动特性的研究

格子玻尔兹曼方法（LBM）是近几十年来发展的一种介观尺度的数值模拟方法,具有良好的处理复杂边界的能力和并行计算能力。利用LBM对后台阶流动进行了数值模拟,得到了不同雷诺数下后台阶流动的特性。研究结果表明,在低雷诺数情况下,台阶后再附着点与分离点的距离随着雷诺数的增加而变大;在高雷诺数情况下,台阶后再附着点与分离点的距离随着雷诺数的增加而增加,增长幅度逐渐降低,当Re=8 000时,再附着点与分离点之间的距离趋于稳定,并达到峰值;随着雷诺数的继续增大,这个距离开始减小,最终趋于一个定值。对于高雷诺数下的后台阶流动,采用LES⁃LBM的方法进行模拟,与前人的实验数据吻合得很好,表明LBM⁃LES模型对高雷诺数后台阶流动进行模拟具有较高的精确性。     

平板有升力绕流的Lattice Boltzmann模拟

介绍了一种不同于传统流体力学数值方法的Lattice Boltzmann流体动力学的含体积力模型，并用此方法模拟了平板有升力粘性绕流，得到了与实验结果一致的升力及阻力系数。     

基于格子玻尔兹曼方法的岩心切片渗流通道研究

格子玻尔兹曼方法以其能够处理复杂几何边界,在数字岩心多孔介质流动模拟中被广泛应用。以渤海S油田东营组储层数字岩心切片为研究对象,在图像处理基础上,运用格子玻尔兹曼方法开展二维孔隙流动模拟及速度场表征,通过改变模拟条件,分析不同生产压差、孔喉优化对切片渗流通道的影响。结果表明,生产压差仅能改变各通道的渗流速度;岩石孔径是影响渗流通道分布的主要因素;孔喉优化能够有效调整渗流通道,提高微观孔隙波及程度。     

Acceleration of Lattice Boltzmann Simulation via OpenACC

基于OpenACC的格子波尔兹曼加速模拟

郭书豪^{1, 2},吴杰^{1, 2}

（1. 南京航空航天大学 机械结构力学与控制国家重点实验室,南京 210016;2. 南京航空航天大学 空气动力学系,南京 210016）

创新点说明：

本文研究了流体动力学问题数值模拟中串行码的并行加速问题。为求解流场,采用格子波尔兹曼方法（LBM）,并用OpenACC（Open Accelerator）应用编程接口执行程序加速。通过并行计算密集的循环、减少一些无意义的数据传输,基于LBM的串行代码得到了明显的加速。针对几个标准的流体动力学问题,通过OpenACC编程模型进行模拟来实现性能和计算效率的评估。优化后,与原代码版本相比,加入OpenACC的代码能得到合理的加速比。

研究目的：

利用OpenACC对串行的LBM代码进行并行加速。

研究方法：

主要利用OpenACC的导语,对现有的LBM串行代码进行注释,随后在GPU环境下运行。

结果：

通过模拟方腔流、静止的圆柱绕流以及圆柱的涡激震荡问题,验证的OpenACC对LBM串行代码并行化的可行性。

结论：

OpenACC能简单有效地提高LBM串行代码的计算速度。

关键词：OpenACC;格子波尔兹曼方法;并行计算

     

Aerodynamic simulation of high-speed trains based on the Lattice Boltzmann Method (LBM)

Aerodynamic simulation of high-speed trains has been carried out by using Lattice Boltzmann Method (LBM). Non-simplified train model was used and the number of space grids reached tens of millions. All results under different working conditions reflected the actual situation.     

基于LBM的槽道流直接数值模拟

采用格子波尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM),进行了槽道流动的直接数值模拟.与经典的KMM结果比较了边界层速度型、均方根速度、雷诺应力分布以及槽道流中心区的能谱,结果表明LBM具有足够的精度模拟边界层的发展以及壁面存在对流动的影响.文中的研究表明,LBM有望用于风洞洞壁干扰的数值模拟修正.