基于MPI的铸造充型过程气液两相流动并行技术研究

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铸造充型过程是铸造生产中的关键环节,对铸件的质量有着重要影响。铸造充型过程气液两相流动数值模拟研究的一个突出问题是计算速度慢,这主要是因为两相流模拟中既要计算液态金属网格,又要计算型腔中的空气网格,计算网格数多,计算量大。为此,本文研究了基于MPI(Message Passing Interface,消息传递接口)的铸件网格并行分区建模与实现,对铸造充型过程气液两相流动算法实现并行化,最终达到提高充型过程两相流动模拟计算速度的目的。首先,根据铸件网格分布特点建立了并行分区模型。提出了基于子域中铸件网格数的标准差来评判铸件网格区域划分是否均匀的标准,设计了基于动态规划法的铸件网格分区算法,建立了基于MPI并行技术的铸件网格并行分区模型,将铸件网格信息平均分配给计算子进程,是并行算法实现的模型基础。其次,将并行分区模型应用在铸造充型过程气液两相流算法中,设计并开发了气液两相流数值模拟的并行程序。研究了典型的铸造充型过程气液两相流的SOLALevel Set算法的数学模型和离散方法,分析了铸件网格分布的特点,制定了并行程序的通信策略,提出了映射数组法来降低子域间的通信开销,设计了依赖关系复杂的流动场求解过程中子域间的通信步骤,开发了气液两相流数值模拟的并行程序。最后,将本文并行算法应用到环形、板类、箱体等铸件的充型过程气液两相流动数值模拟中,测试和分析了算法的并行效果。通过与已验证的两相流串行程序的计算结果进行数值对比,表明了本文并行算法的数值可靠性,并提出了简化版的数值准确性验证方法。测试结果表明本并行算法具有良好的加速效果,8个处理核心时最大加速比为4.6。对同一铸件,加速比随铸件网格数增加而增大。和环形、箱体铸件相比,本文算法在板类铸件上的并行拓展性最好。本文提出的气液两相流并行算法对铸造流动场数值模拟技术的发展有重要意义。
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