基于多GPU数值模拟的高温燃气流与冷却流的掺混机理研究

Film cooling is one of the most important ways to decrease the temperature of blades in gas turbine. There are extensive research works on film cooling by both experiment and numerical simulation. However, the facts that how the gas and cooling jets mix in the very thin film (about 0.5mm), and how to form a valid and stable cooling cover on the blade surface are still unclear. Film-cooling flow is a very complicated turbulence, the study on the mixing mechanism in film cooling flow is to discover series of votex structures in different scales and the interactions among them. Comparing with limited experimental data, simulations provide more comprehensive informations of the flow. In this research, the DNS and LES will be performed on film-cooling flow to study the mixing and heat transfer process between high-temperature gas and cooling jet. A grid system with fine resolution about 1.0E8 will be used to catch the votex in the very small scale in order to discover the mechanism of mixing in film-cooling flow. Since the simulation on turbulence is very expensive, to save the computational resource and time, lattice Boltzmann method (LBM) is adopted and speeded up with GPU and multi-GPU parallel computation. With GPUs, the high performance computation can be realized on the desktop.

气膜冷却是燃气轮机中降低叶片温度的重要方法之一，针对气膜冷却已有大量的实验及数值模拟研究。然而，在约0.5mm厚度的气膜内，高温燃气流与冷却流究竟如何掺混，如何能够产生有效的稳定的冷流覆盖，这一机理并不明朗。气膜冷却是个极其复杂的湍流过程，对其机理的研究，就是要发现各种尺度的涡系结构之间的相互作用并揭示其规律。相比较实验有限点的观测，数值模拟能够提供更多更全面的信息。本研究拟对气膜冷却中高温燃气与冷却流的流动与传热过程进行直接模拟和大涡模拟，采用近亿网格数目，力求捕捉最小尺度的涡系结构，并对该过程中的涡系结构及其相互作用进行研究，从而揭示其掺混机理，初步提出气膜稳定性理论。由于湍流模拟是极其"昂贵"的数值方法，为了能够节省计算资源，减少计算时间，在数值方法上，本研究采用并行性极好的格子-Boltzmann方法，并将其用于GPU上加速，同时采用多个GPU并行，实现桌面级上亿网格的高性能计算。

本项目面向开发新一代重型燃气轮机更先进高效的气膜冷却技术，针对其中的燃气流与冷却流掺混扩散及传热机理与气膜稳定性问题，进行高分辨率网格下大规模数值计算研究。首先，研究了湍流流动换热模拟的高性能数值计算方法，开发了基于CPU/GPU系统及格子-Boltzmann方法的高性能并行程序，并搭建了桌面级高性能计算系统，其理论性能达每秒 70万亿次。其次，研究了横流中的射流问题，捕捉到了精细的湍流拟序结构，发现了发卡涡与反对称涡的形成机制。再次，研究了单孔气膜冷却问题，依据湍动能分布，提出了流动分区的概念，即剪切区、旋转区、耗散区，并在各个分区内讨论了吹风比及射流角度对微观拟序结构及宏观流动及换热的影响，以及反对称涡在各个分区内的发展变化及其对宏观冷却效率的影响。最后，初步提出了气膜均匀度概念。此外，开展了初步的实验研究，定性观察并讨论了剪切涡与反对称涡的生成、发展、消亡历程，为今后的数值模拟工作提供更多实验数据支撑奠定基础。. 本项目三年执行期中，共发表论文 8 篇，其中SCI论文 5 篇，中文核心期刊 3 篇， 此外，2 篇SCI论文在审中。参加国际学术交流会议 5 次，国内大型学术会议 4 次（6个报告），国内企业及重点实验室邀请报告 3 次。 获软件著作权 1 个。获“陕西省高等学校科学技术一等奖”一项（第三获奖人）。培养博士研究生 1 名，硕士研究生 2 名，博士后晋升副教授 1 名。