手机知网 App
24小时专家级知识服务
打 开
手机知网|搜索

基于EBE策略的列车三维紊态外流场有限元法并行计算研究

杨忠超

  高速列车的外流场是复杂的三维紊态流,这一紊态流对列车和周围的环境造成许多不利的影响,因此高速列车外部流场的状态一直是车辆空气动力学者所关心的问题。根据高速列车粘性紊态绕流的特点,在较少简化的条件下以Navier-Stokes方程和κ-ε两方程紊流模型为基础,建立了高速列车外流场的计算模型,在近壁区域采用壁面函数修正紊流模型。基于有限元法建立了流场求解列式,为保证其收敛性,采用了迭代罚函数法,集中质量矩阵,缩减积分计算,带参数的Newton迭代求解,引入松驰因子及双层解法等技术,提出了一套适合流场有限元方程计算的非线性方程求解方法。针对求解流场有限元方程组占用计算机内存资源过多、限制求解规模的缺点,采用分离式求解法,在求解流场各参数方程时,在国内首次引入EBE技术,EBE技术不必组集和存储总刚矩阵,能有效地减小了方程组求解时对内存空间的要求,同时EBE技术具有内在的高度并行性,能有效提高方程组的求解速度。本文首次将EBE技术与PCG和BiCGSTAB迭代法结合起来,得到并行的EBE-PCG算法和EBE-BiCGSTAB算法,选取了基于EBE的预处理矩阵。利用上述的计算模型和处理技巧,结合EBE-PCG算法和EBE-BiCGSTAB算法,编制了二维和三维紊态流场的有限元并行计算程序。在国家高性能计算中心(成都)的曙光2000并行机上用此程序计算了二维倒台阶流和四种高速列车车型的三维外流场。通过与试验结果对比,表明本文提出的计算方法是正确可行的。本文还提出了一种网格分维新的计算公式,并基于网格分维对直接解法,组集总刚矩阵的迭代解法和基于EBE的迭代解法等三种方法的存储量和计算量进行了分析和比较,得出了直接解法无论存储量和计算量均最大,基于EBE迭代解法存储量最小的结论;在曙光2000并行机上估计了基于EBE迭代解法的计算规模,说明只要充分利用各处理机的内存,可解问题的规模是非常巨大的;对二维倒台阶流并行计算进行了性能分析,表明基于EBE策略的迭代解法能获得较高的加速比。故而表明本文捉出的基于EBE策略的并行计算方法是有效的。用三维并行计算程序模拟了四种不同高速列车车型的外流场,获得了不同车型的运行阻力;详细分析了列车附近流场的压力分布及其变化情况,讨论了列车头型对列车通过时产生的压力波动的影响;分析了四种车型外部流场的速度分布规律及其变化情况,分析了列车头部形状对它们的影响。从而得第 11页西南交通大学搏士研究生学位论文到列车外部流场中压力和速度分布状况的较为完整的认识,为列车的强度设计,列车周围设施的抗风设计以及路边作业人员的安全和行为规范的制定提供了一个可资参照的依据。本文的工作对进一步发展我国高速列车空气动力学研究具有一定的理论意义和较大的应用价值。……   
[关键词]:高速列车;有限元法;并行计算;EBE;网格分维
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:西南交通大学2002年