[發(fā)明專利]一種凸邊界的內(nèi)腔真空輻射仿真的高效并行計(jì)算方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410601843.7
• 申請(qǐng)日: 2014-10-31
• 公開（公告）號(hào): CN105631064B
• 公開（公告）日: 2019-01-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭昭虎;龔春葉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所;中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 核工業(yè)專利中心 11007
• 代理人: 高尚梅

1.一種凸邊界的內(nèi)腔真空輻射仿真的高效并行計(jì)算方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1、采集具有內(nèi)腔問題的固體結(jié)構(gòu)的實(shí)際外形和物理尺寸，建立三維實(shí)體單元的有限元網(wǎng)格；

采集本步驟建立的有限元網(wǎng)格的溫度邊界條件、熱流邊界條件、對(duì)流換熱邊界條件的邊界面網(wǎng)格；

步驟2、采集固體結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)系數(shù)；

采集溫度邊界條件、熱流邊界條件、對(duì)流換熱系數(shù)、流體溫度值；

其中，溫度邊界條件為邊界溫度值，熱流邊界條件為邊界熱流值；

步驟3、采集內(nèi)腔輻射邊界條件的邊界面網(wǎng)格；

采集內(nèi)腔邊界的發(fā)射率，記為ε；

步驟4、設(shè)置瞬態(tài)熱傳遞計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)；設(shè)置計(jì)算總時(shí)間；

步驟5、基于步驟1建立的三維實(shí)體單元的有限元網(wǎng)格，對(duì)該網(wǎng)格進(jìn)行均勻分區(qū)；將分區(qū)數(shù)記為F；

步驟6、基于步驟3采集的內(nèi)腔輻射邊界條件與步驟5建立的有限元分區(qū)網(wǎng)格，采集每個(gè)網(wǎng)格分區(qū)中對(duì)應(yīng)的內(nèi)腔邊界條件；

將每個(gè)分區(qū)中的內(nèi)腔邊界面記為{U₁,U₂,…,U_F}；

采集每個(gè)分區(qū)內(nèi)腔邊界面網(wǎng)格的面積A；

步驟7、基于步驟5的分區(qū)數(shù)量F，開啟F個(gè)并行計(jì)算進(jìn)程，每一個(gè)網(wǎng)格分區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)計(jì)算進(jìn)程；計(jì)算進(jìn)程號(hào)與網(wǎng)格分區(qū)號(hào)對(duì)應(yīng)；

基于步驟1建立的三維實(shí)體單元的有限元網(wǎng)格、步驟1采集的各個(gè)邊界條件的邊界面網(wǎng)格、步驟2采集的固體熱傳導(dǎo)系數(shù)與各個(gè)邊界條件的數(shù)值、步驟4設(shè)置的瞬態(tài)熱傳遞計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)與步驟5采集的分區(qū)網(wǎng)格，進(jìn)行分區(qū)并行的不含內(nèi)腔輻射值的有限元計(jì)算；

步驟8、基于步驟6采集的每個(gè)分區(qū)的內(nèi)腔邊界面{U₁,U₂,…,U_F}，采集步驟7中計(jì)算得到的每個(gè)分區(qū)的內(nèi)腔邊界面上溫度值集合，記作{T₁,T₂,…,T_F}；

其中，T_i為第i個(gè)內(nèi)腔邊界面上的每個(gè)邊界面網(wǎng)格的集合，i＝1、2…F；i＝1、2…F，ni為第i個(gè)網(wǎng)格分區(qū)的內(nèi)腔邊界面上的面單元數(shù)量；

步驟9、基于步驟8得到的每個(gè)內(nèi)腔邊界單元上的溫度值i＝1、2…F；

計(jì)算每個(gè)邊界單元通過輻射損失的能量定義其為輻射能量值，i＝1、2…F,j＝1、2…ni，ni為第i個(gè)網(wǎng)格分區(qū)的內(nèi)腔邊界面上的面單元數(shù)量；

其中，ε為步驟3采集的內(nèi)腔邊界發(fā)射率，A為步驟6中采集的每個(gè)分區(qū)內(nèi)腔邊界面網(wǎng)格的面積，σ為Stefan-Boltzmann常量；

步驟10、將步驟9計(jì)算得到的每個(gè)邊界單元的輻射能量值，存儲(chǔ)到該單元對(duì)應(yīng)的計(jì)算進(jìn)程的內(nèi)存空間中；

步驟11、基于步驟6采集的每個(gè)分區(qū)中的內(nèi)腔邊界面，在其對(duì)應(yīng)的計(jì)算進(jìn)程上的所有內(nèi)腔邊界面上的網(wǎng)格單元進(jìn)行遍歷；

步驟12、基于步驟9計(jì)算的每個(gè)邊界單元的輻射能量值，在步驟11的內(nèi)腔邊界上的單元遍歷過程中，每個(gè)邊界單元遍歷時(shí)接收其它所有邊界單元所計(jì)算得到的輻射能量值；在該步驟中：

1)若發(fā)送輻射能量值的單元與正在遍歷的單元位于同一塊分區(qū)網(wǎng)格中，那么說明此時(shí)，輻射能量值的傳遞是在同一個(gè)計(jì)算進(jìn)程下完成的；此時(shí)直接通過內(nèi)存的計(jì)算實(shí)現(xiàn)輻射能量值的傳遞；

2)若發(fā)送輻射能量值的單元與正在遍歷的單元不在同一塊分區(qū)網(wǎng)格中，那么說明此時(shí)輻射能量值的傳遞需要從一個(gè)計(jì)算進(jìn)程傳遞到另一個(gè)計(jì)算進(jìn)程；此時(shí)通過跨進(jìn)程的信息發(fā)送和信息接收來實(shí)現(xiàn)輻射能量值的傳遞；跨進(jìn)程的信息發(fā)送與信息接收通過MPI并行編程實(shí)現(xiàn)；

步驟13、完成步驟12后，每個(gè)邊界單元接收完所有其它邊界單元的輻射能量值，得到其它單元因?yàn)檩椛鋫鬟f到本單元而增加的能量；

將步驟9計(jì)算得到的本邊界單元的輻射能量值，加上其它單元因?yàn)檩椛鋫鬟f到本單元而增加的能量，得到內(nèi)腔輻射后本單元獲取的能量；

步驟14、將步驟13得到的邊界單元獲取的能量作為能量輸入，作為下一個(gè)時(shí)間步中步驟7計(jì)算的邊界條件；

步驟15、結(jié)束步驟11開始的邊界單元遍歷；

步驟16、更新計(jì)算時(shí)刻；若第n個(gè)時(shí)間步時(shí)的計(jì)算時(shí)刻為t，則n+1時(shí)間步的計(jì)算時(shí)刻為t+Δt；Δt表示第n個(gè)時(shí)間步時(shí)和第n+1個(gè)時(shí)間步時(shí)之間的時(shí)間間隔；

步驟17、重復(fù)步驟7～16，直到當(dāng)前計(jì)算時(shí)刻超過步驟4設(shè)置的計(jì)算總時(shí)間，計(jì)算結(jié)束。

2.如權(quán)利要求1所述的一種凸邊界的內(nèi)腔真空輻射仿真的高效并行計(jì)算方法，其特征在于：步驟5中，通過Metis軟件對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行均勻分區(qū)。