使用程序 Free Surface 3D (FS3D) 对热表面上液滴冲击的直接数值模拟
流体动力学
2025-03-04 v1
摘要
液滴冲击加热表面是一种在工业应用中广泛存在的过程，尤其是在喷雾冷却技术的背景下。因此，必须研究液滴扩散、从热表面传递热量以及冲击过程中流场分布的复杂现象。本研究聚焦于对初始阶段水滴冲击高导热加热表面的直接数值模拟（Direct Numerical Simulation, DNS）。在不同冲击速度下存在加热表面上的最大扩散直径进行分析。本文中使用的 Free Surface 3D (FS3D) 是由斯图加特航空热力学研究所开发的内部代码。进行网格独立性研究以探讨解析液滴周围流场所需的分辨率。由于在液滴冲击过程初始阶段的蒸发效应可以忽略不计，因此被忽略。然而，对于较长的模拟时间，蒸发在过程中发挥着重要作用。为准备此类模拟，模拟了交叉流中的蒸发液滴，以研究 FS3D 新实现的混合 OpenMP 和 MPI 并行化以及红黑优化在蒸发例程中的性能提升。通过采用混合（MPI 与 OpenMP）并行化，规模限制和效率均得到改善；而红黑方案优化仅提升了效率。通过工具 MAQAO 所调查的测试用例，新版本实现了 23% 的性能提升。此外，还进行了强度和弱度扩展性能测试。结果表明，新版本可扩展至 256 个节点，而原版本仅可扩展至 128 个节点。新版本实现的最高每小时时间循环数（CPH）比以前版本高出 35%。
引用
@article{arxiv.2503.00050,
title = {Direct Numerical Simulations of Droplet Impact onto Heated Surfaces using the Program Free Surface 3D (FS3D)},
author = {Manish Kumar and Rishav Saha and Johanna Potyka and Kathrin Schulte and Bernhard Weigand},
journal= {arXiv preprint arXiv:2503.00050},
year = {2025}
}