弗朗西斯科·卡普阿诺；尼古拉斯·贝拉特里斯；张凤瑞；尤利娅·皮特；凯尔·斯奎尔斯；埃利亚斯·巴拉斯 成本与精度：使用结构化浸没边界、非结构化有限体积和光谱元素方法对球体湍流进行DNS。 （英语） Zbl 07837898号 欧洲力学杂志。，B、 液体 102、91-102（2023）. 摘要：我们报告了三种数值求解器的比较研究，用于Re=3700时球体上方流动的直接数值模拟。分析中使用了高阶谱元代码（Nek5000）、通用非结构化有限体积解算器（OpenFOAM）和使用浸入边界法（IBM）的内部笛卡尔解算器；将结果与以前的数值和实验数据进行了比较。数值结果表明，Nek5000和IBM代码在全局参数和局部流动特征的成本与精度分析方面的计算性能范围相似。另一方面，OpenFOAM需要更高的自由度（总的来说，更高的成本）来匹配一些基本的流动特征，例如球体下游形成的再循环气泡的长度。对于最好的网格分辨率，这三个代码对于大多数分析的流量度量都是一致的。总之，我们的结果表明，基于IBM的高阶方法和二阶能量守恒方法可能是分离湍流的高保真尺度重解模拟的可行选择。 MSC公司： 76倍 流体力学 关键词：直接数值模拟；浸没边界法；谱元法；比较研究 软件：开放式泡沫；耐克5000；西蒙森 PDF格式BibTeX公司 XML格式引用 \textit{F.Capuano}等人，《欧洲医学杂志》。，B、 液体102，91-102（2023；Zbl 07837898） 全文： 内政部 参考文献： [1] Löhner，R.，《迈向克服LES危机》，国际计算机杂志。流体动力学。，33, 3, 87-97, 2019 [2] Goc，K.A。；O.莱姆库尔。；帕克，G.I。；Bose，S.T。；Moin，P.，以可承受的成本对飞机进行大涡模拟：计算流体动力学的里程碑，Flow，2021年1月 [3] OpenFoam、，https://www.openfoam.com。 [4] 蜥蜴，http://basilisk.fr。 [5] 耐克5000，https://nek5000.mcs.anl.gov。 [6] PyFR、，http://www.pyfr.org。 [7] 2019年高阶CFD方法国际研讨会，URLhttps://www1.grc.nasa.gov/research-and-engineering/hiocfd/ [8] Taubench，2022年，访问时间：2022-07-18，http://www.ipacs-benchmark.org/index.php？s=description&bm=TAUBENCH [9] 王，Z。；Fidkowski，K。；Abgrall，R。；Bassi，F。；Caraeni，D。；A.卡里。；Deconick，H。；哈特曼，R。；Hillewaert，K。；Huynh，H。；北卡罗尔。；May，G。；佩尔松，P.-O。；van Leer，B。；Visbal，M.，《高阶CFD方法：现状与展望》，国际。J.数字。方法流体，72，8，811-8452013，arXiv：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/fld.3767，URLhttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/fld.3767 ·兹比尔1455.76007 [10] 第五届高阶CFD方法国际研讨会，Cenaero，2017年，https://how5.cenaero.be/ [11] 梅因，P。；Verzicco，R.，《关于湍流模拟中二阶精确离散的适用性》，《欧洲医学杂志》。B流体，55242-2452016·兹比尔1408.76321 [12] 佛梅尔，公元前。；F.D.威瑟顿。；Vincent，P.E.，《关于GPU加速高阶方法在非恒定流模拟中的应用：与行业标准工具的比较》，J.Compute。物理。，334, 497-521, 2017 [13] STAR-CCM+，https://www.plm.automation.siemens.com/global/en/products/simcenter/STAR-CCM.html。 [14] 卡普阿诺，F。；Palumbo，A。；de Luca，L.，合成射流直接数值模拟的光谱元素和有限体积解算器的比较研究，计算与流体，179228-2372019·Zbl 1411.76056号 [15] Kooij，G.L。；博切夫，医学硕士。；弗雷德里克斯，E.M。；Geurts，B.J。；霍恩，S。；Lohse，D。；范德波尔，E.P。；O.Shishkina。；史蒂文斯，R.J。；Verzicco，R.，湍流Rayleigh-Bénard对流直接数值模拟的计算代码比较，计算与流体，166，1-8，2018·Zbl 1390.76181号 [16] Rezaeiravesh，S。；维努萨，R。；Schlater，P.，关于标准壁湍流尺度重解模拟中的数值不确定性，计算与流体，227，第105024条，2021页·Zbl 1521.76248号 [17] 塞尼，V。；夏，H。；Page，G.J.，燃烧室端口流动大涡模拟的有限体积和光谱/hp方法的比较，AIAA J.，1-172022 [18] Schäfer，K。；Forooghi，P。；斯特劳布，S。；弗罗纳普费尔，B。；Stroh，A.，壁挂式障碍物上湍流的直接数值模拟——不同数值方法的比较，（ERCOFTAC Workshop Direct and Large Eddy Simulation，2019，Springer），91-96 [19] Fadlun，E。；Verzicco，R。；奥兰迪，P。；Mohd-Yusof，J.，《三维复杂流动模拟的复合浸没边界有限差分方法》，J.Compute。物理。，161, 1, 35-60, 2000 ·Zbl 0972.76073号 [20] Laizet，S。；Lamballais，E.，《不可压缩流动的高阶紧致格式：具有准谱精度的简单有效方法》，J.Compute。物理。，2009年第228、16、5989-6015页·Zbl 1185.76823号 [21] Goldstein，D。；Handler，R.公司。；Sirovich，L.，用外力场模拟无滑移流动边界，J.Compute。物理。，105, 2, 354-366, 1993 ·Zbl 0768.76049号 [22] 骑士，M。；伦德布拉德，A。；Henningson，D.S.，Simson——不可压缩边界层流动的伪谱解算器，2007年 [23] Tomboulides，A.G。；Orszag，S.A.，通过球体的过渡和弱湍流的数值研究，J.流体力学。，2000年第416页，第45-73页·Zbl 1156.76419号 [24] 罗德里格斯，I。；博雷尔，R。；O.莱姆库尔。；塞加拉，C.D.P。；Oliva，A.，Re=3700时球体上方流动的直接数值模拟，J.流体力学。，679, 263-287, 2011 ·Zbl 1241.76302号 [25] Yun，G。；Kim，D。；Choi，H.，亚临界雷诺数下球体后的旋涡结构，物理。流体，18，1，第015102页，2006年 [26] 坂本浩，H。；Haniu，H.，均匀流中球体的旋涡脱落研究，1990年 [27] Kim，H。；Durbin，P.，声波激励下球体尾迹频率和阻力增加的观测，Phys。流体，31,113260-32651988 [28] Schlichting，H.公司。；Kestin，J.，《边界层理论》，1979年，McGraw-Hill，第7版·Zbl 0434.76027号 [29] 杨，J。；Balaras，E.，《湍流与移动边界相互作用大涡模拟的嵌入边界公式》，J.Compute。物理。，215, 1, 12-40, 2006 ·Zbl 1140.76355号 [30] Smith，C.E。；北卡罗来纳州贝拉特利斯。；巴拉拉斯，E。；Squires，K。；Tsunoda，M.，《亚临界和超临界状态下高尔夫球上方流动的数值研究》，《国际热流学杂志》，31，3，262-2732010年 [31] F.Zhang，Y.T.Peet，Re=3700时经过球体的湍流尾迹中相干结构的动力学，收录于：《第12届国际交响乐会议论文集》。《湍流和剪切流现象》，日本大阪，2022年。 [32] 北卡罗来纳州贝拉特利斯。；巴拉拉斯，E。；Squires，K.，《关于凹坑球体上阻力的起源》，J.流体力学。，879, 147-167, 2019 ·Zbl 1430.74033号 [33] White，F.M.，《粘性流体流动》，1991年，麦格劳-希尔出版社：纽约麦格劳-希尔出版社 [34] Fage，A.，《临界雷诺数下球体的实验》，航空。英国皇家议会，1936年 [35] Malm，J。；施拉特，P。；菲舍尔，P.F。；Henningson，D.S.，通过恢复不对称性稳定对流主导流中的谱元方法，科学杂志。计算。，57, 2, 254-277, 2013 ·Zbl 1282.76145号 [36] Fischer，P.F.，《不可压缩Navier-Stokes方程谱元解的重叠Schwarz方法》，J.Compute。物理。，133, 1, 84-101, 1997 ·Zbl 0904.76057号 [37] 图福，H.M。；Fischer，P.F.，《粗网格问题的快速并行直接求解器》，J.parallel Distribute.Compute。，61, 2, 151-177, 2001 ·Zbl 0972.68191号 [38] Deville，M.O。；菲舍尔，P.F。；Mund，E.H.，《不可压缩流体流动的高阶方法》，2002年，剑桥大学出版社：剑桥大学出版社，英国剑桥·Zbl 1007.76001号 [39] 梅里尔，B.E。；Peet，Y.T。；菲舍尔，P.F。；Lottes，J.，《不可压缩Navier-Stokes方程重叠网格解的光谱精确方法》，J.Compute。物理。，307, 60-93, 2016 ·Zbl 1351.76203号 [40] 菲舍尔，P。；Lottes，J。；科克迈尔，S。；O·马林。；海西，K。；奥巴布科，A。；Merzari，E。；Peet，Y.，Nek5000用户手册技术报告ANL/MCS-TM-3512015，阿贡国家实验室，网址：http://nek5000.mcs.anl.gov [41] Dong，S。；Karniadakis，G.E。；Chrissostomidis，C.，《严重截断无界区域上不可压缩流动模拟的稳健且准确的流出边界条件》，J.Compute。物理。，261, 83-105, 2014 ·Zbl 1349.76569号 [42] Issa，R.I.，用算子分裂法求解隐式离散流体流动方程，J.Compute。物理。，62, 1, 40-65, 1986 ·Zbl 0619.76024号 [43] Jasak，H.，有限体积法的误差分析和估计及其在流体流动中的应用，1996 [44] De Villiers，E.，《大涡模拟在壁面流动建模中的潜力》，2006年，帝国理工学院 [45] 科波拉，G。；卡普阿诺，F。；de Luca，L.，Navier-Stokes方程数值模拟中的离散能量守恒特性，应用。机械。版次：712019年1月 [46] Vuorinen，V.公司。；Keskinen，J.-P。；杜维格，C。；Boersma，B.J.，《关于使用OpenFOAM®实现时间相关流的低耗散Runge-Kutta投影方法》，计算与流体，93153-1632014·Zbl 1391.76006号 [47] 科门，E.M。；弗雷德里克斯，E.M。；科彭，T。；达莱桑德罗，V。；Kuerten，J.，OpenFOAM®中非结构化并置有限体积方法中不同Runge-Kutta和速度插值方法的数值耗散率分析，计算。物理学。Comm.，253，第107145条，2020年·Zbl 07687597号 [48] 科门，E.M。；霍普曼，J.A。；弗雷德里克斯，E。；Trias，F.X。；Verstapen，R.W.，基于PISO的对称保护二阶时间精确方法，计算与流体，225，第104979条，2021页·Zbl 1521.76435号 [49] Toivanen，J。；Rossi，T.，具有任意维可分离矩阵的块三对角系统的并行快速直接求解器，SIAM J.Sci。计算。，20, 2001 [50] Balaras，E.，在大型模拟中使用固定笛卡尔网格上的外力场建模复杂边界，计算与液体，33，3，375-4042004·Zbl 1088.76018号 [51] 杨，J。；Balaras，E.，《湍流与移动边界相互作用大涡模拟的嵌入边界公式》，J.Compute。物理。，2006年12月1日至40日·Zbl 1140.76355号 [52] 巴拉拉斯，E。；施罗德，S。；Posa，A.，《潜艇螺旋桨的大涡模拟》，J.Ship Res.，59，4，227-2372015年 [53] Posa，A。；利波利斯，A。；Verzicco，R。；Balaras，E.，使用浸没边界法对混流泵进行大涡模拟，计算与液体，47,133-432011·Zbl 1271.76136号 [54] Posa，A。；利波利斯，A。；Balaras，E.，《非设计工况下混流泵的大涡模拟》，ASME J.Fluids Eng.，137，10，第101302条，2015年 [55] Posa，A。；Balaras，E.，《带附件轴对称物体尾迹的数值研究》，J.流体力学。，792470-4982016年·Zbl 1381.76111号 [56] 拉罗莫斯塔基姆，M。；Posa，A。；Balaras，E.，高振幅俯仰翼型性能的数值研究，AIAA J.，54，8，2221-2232，2016 [57] Pal，A。；Sarkar，S。；Posa，A。；Balaras，E.，《在亚临界雷诺数3700和中等弗劳德数条件下通过球体的分层流的直接数值模拟》，J.流体力学。，826, 5-31, 2017 ·Zbl 1430.76318号 [58] Posa，A。；Balaras，E.，拖曳式和自行式概念潜艇的大涡模拟，计算与流体，165116-1262018·Zbl 1390.76209号 [59] 王，S。；Vanella，M。；Balaras，E.，《用浸没边界法模拟湍流/颗粒相互作用的水动力应力模型》，J.Compute。物理。，382240-2632019，URLhttps://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021999119300270 ·Zbl 1451.76087号 [60] Stampede2用户指南，https://portal.tacc.utexas.edu/user-guides/stampede2。 [61] GW高性能计算，https://hpc.gwu.edu。 [62] Axtmann，G。；Rist，U.，《在高性能系统上使用大涡模拟和DNS的开放式泡沫的可扩展性》，（Nagel，W.E.；Kröner，D.H.；Resch，M.M.，《科学与工程中的高性能计算》2016年第16期，Springer国际出版：Springer International Publishing Cham），413-424 [63] Rezaeiravesh，S。；维努萨，R。；Schlater，P.，关于标准壁湍流尺度重解模拟中的数值不确定性，计算与流体，227，文章105024 pp.，2021，URLhttps://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045793021001900 ·Zbl 1521.76248号 [64] T.Rossi，J.Toivanen，《并行快速直接求解器》，第21卷，《技术报告》，1996年，第1-20页。 [65] N.Offermans，O.Marin，M.Schanen，J.Gong，P.Fischer，P.Schlater，A.Obabko，A.Peplinski，M.Hutchinson，E.Merzari，《关于谱元解算器Nek5000在千兆级系统上的强标度》，载于：《Exascale应用与软件会议论文集2016》，2016年，第1-10页。 [66] Offermans，N。；佩普林斯基，A。；O·马林。；Merzari，E。；Schlater，P.，使用Nek5000进行大规模模拟的预条件器性能，（偏微分方程的谱和高阶方法ICOSAHOM 2018，2020，Springer，Cham），263-272·Zbl 1484.65324号 [67] 菲舍尔，P。；Mullen，J.，基于滤波器的光谱元素方法稳定性，C.R.Acad。科学-I-数学系列。，332, 3, 265-270, 2001 ·Zbl 0990.76064号 [68] 汤博利德斯，A。；Lee，J。；Orszag，S.，《低马赫数反应流的数值模拟》，《科学杂志》。计算。，12, 2, 139-167, 1997 ·Zbl 0905.76055号 此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配，可能包含数据转换错误。在某些情况下，zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献，而不要求完整或完全匹配。