一种新的PIV/PTV混合并行自适应算法与基于OpenFOAM环境的圆柱绕流研究

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PIV作为近些年快速发展起来的非接触全场测量技术,通过将流场进行网格划分并对各个网格内图像进行互相关分析获取流场流动信息。目前广泛应用于水动力学实验研究以及空气动力学实验研究。虽然很多国内外研究人员对PIV技术进行了大量改进,但是仍然存在测量精度和计算速度方面的问题。现有PIV算法大都要求根据流场及粒子图像特征设定初始参数,因此使用者的知识水平往往影响测量效率及精度。鉴于此,本文提出了一种新的无需设定初始参数的PIV/PTV混合自适应单机多核并行算法。此外,和数值模拟相比较而言,目前三维PIV技术发展不够成熟,PIV技术更多的应用于二维流速场,而且不能同时获得压强场。本文针对这一问题,对PIV实验数据与OpenFOAM开源流体计算软件数值模拟数据进行了对比,证明了PIV实验与OpenFOAM数值实验结合具有可行性。这些研究将有力提高PIV技术的应用能力。论文主要工作如下:  提出一种 PIV/PTV混合自适应算法。该算法首先根据一个固定的影像密度计算出PIV诊断窗口尺寸,进而进行PIV归一化互相关匹配,通过互相关值是否超过规定阈值,确定该区域PIV值是否可用于指导PTV计算,加快计算速度。在PTV算法中,提出了一种新的基于矢量叉乘的判别相似度的方法,该算法与已有PTV算法相比较,算法相对简单,运算速度快。混合算法根据PIV计算结果智能选择矢量叉乘的判别相似度的方法或者智能给定初始计算参数的群粒子特性PTV算法。算法从程序的自适应、测量精度、计算速度上较常用算法有明显提高。  利用OpenMP并行语言对PIV/PTV混合自适应单机多核算法并行化。受计算机硬件条件制约,目前没有查阅到文献提及PIV技术的多核并行实现。本文从充分利用计算机硬件资源角度出发,提高了程序计算速度。  介绍OpenFOAM开源软件包以及利用OpenFOAM的不可压层流解算器icoFoam对二维圆柱绕流进行模拟。结果表明同样网格及边界条件下与 fluent二维模拟对比结果基本一致。OpenFOAM为研究人员提供了一款开源的流体计算软件开发包,利用此开源软件包能更加深入地对数值模拟进行理解,并且更加容易根据用户需要对解算器、边界条件、计算模型进行更改。  利用二维 PIV技术对圆柱绕流流场进行测量并根据此实验装置建立三维计算网格,在同样流量下利用OpenFOAM不可压层流解算器进行模拟。从PIV实测结果与数值模拟结果进行对比分析角度出发,分析结果说明将PIV技术和OpenFOAM开源流体计算软件包结合进而改进PIV是可行的。
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