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基于 OpenFOAM 和 CPU/GPU 计算的 AI 加速 CFD 模拟 ⋆
摘要。在本文中，我们提出了一种通过将传统 CFD 求解器与我们的 AI 模块集成来加速 CFD（计算流体动力学）模拟的方法。所研究的现象负责化学混合。所考虑的 CFD 模拟属于一组稳态模拟，并使用基于 OpenFOAM 工具箱的 MixIT 工具。所提出的模块被实现为 CNN（卷积神经网络）监督学习算法。我们的方法通过为模拟现象的每个数量创建单独的 AI 子模型来分发数据。然后可以在推理阶段对这些子模型进行流水线处理以减少执行时间，或者逐个调用以减少内存需求。我们根据 CPU 或 GPU 平台的使用情况检查所提出方法的性能。对于具有不同数量条件的测试实验，我们将解决时间缩短了约 10 倍。比较基于直方图比较法的模拟结果显示所有数量的平均准确率约为 92%。
基于 OpenFOAM 的 3D 欧拉/拉格朗日飞机结冰模拟求解器的开发
摘要：在开源 CFD 工具箱 OpenFOAM 中开发了 3D 结冰模拟代码。采用混合笛卡尔/贴体网格划分方法来生成复杂冰形周围的高质量网格。求解稳态 3D 雷诺平均纳维-斯托克斯 (RANS) 方程以提供绕翼的集合平均流动。考虑到液滴尺寸分布的多尺度特性，更重要的是为了表示过冷大液滴 (SLD) 不太均匀的特性，实现了两种液滴跟踪方法：为了提高效率，采用欧拉方法跟踪小尺寸液滴（50 µ m 以下）；采用随机采样的拉格朗日方法跟踪大液滴（50 µ m 以上）；在虚拟表面网格上求解表面溢流的传热；通过 Myers 模型估计冰积聚；最后，通过时间推进预测最终的冰形。由于实验数据有限，分别使用欧拉法和拉格朗日法对二维几何的三维模拟进行验证。事实证明，该代码在预测冰形方面是可行的，并且足够准确。最后，给出了 M6 机翼的结冰模拟结果，以说明完整的三维功能。
在OpenFoam Master的论文计算科学与工程中，GPU加速基于激光制造的FVM-DEM模拟的进步
方法和实现整个求解器均建立在OpenFoam®上。在序列上，它解决了相位和能量对流，梁的预测，热传导，相变，然后是压力速度计算[2]。粒子发动机仅修饰光束传播，现在使用并行化的粒子。CPU收集网格和粒子数据并将其传输到GPU，颗粒横穿网格，计算其轨迹并计算吸收能量。在GPU上计算完成后，吸收的能量场将返回到CPU。
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基于 PCA 和 Kriging 的降阶模型在反应流应用数字孪生开发中的应用
详细燃烧系统的详细数值模拟需要大量的计算资源，这限制了它们在优化和不确定性量化研究中的使用。从有限数量的 CFD 模拟开始，可以使用一些详细的函数评估得出降阶模型。在本研究中，考虑将主成分分析 (PCA) 与克里金法相结合以识别准确的低阶模型。PCA 用于识别和分离系统的不变量，即 PCA 模式，而不是与特征操作条件相关的系数。然后使用克里金法找到这些系数的响应面。这导致了一个替代模型，允许以较低的计算成本执行参数探索。本文还介绍了经典 PCA 方法的变体，即局部和约束 PCA。该方法分别在 OpenSmoke++ 和 OpenFoam 生成的 1D 和 2D 火焰上进行了演示，并为其开发了精确的替代模型。
能力中心能源和热管理
各种程序可用于数学建模和仿真，这些程序根据特定应用程序使用：ComsolMultiphysics®，OpenFoam®，OpenModelica®，MSExcel®。每个程序就要建模的过程，建模复杂性，速度和准确性都提供个人优势和缺点。建模是根据特定应用程序进行的，具体取决于必要的物理过程，例如传热，传质和流量（CFD）或力学。如果需要，这些过程也可以组合模拟以获得所有相关结果。比例尺从微观到宏观水平范围。与实验研究相比，模拟的优势是减少参数变化的物质工作，尤其是时间努力的限制，因此，对发展的快速反馈以及识别最佳参数的可能性。尤其是在复杂模型的情况下，建议（部分）验证，并且可以借助现有的实验室能力来覆盖热表征。
跨介质飞行器水气两相流气动数值模拟分析
摘要：跨介质飞行器是一种既能在水中潜航，又能在空中飞行的新型概念飞行器。本文基于多旋翼无人机入出水结构模型，设计了一种新型水空多介质跨介质飞行器。基于设计的跨介质飞行器结构模型，利用OpenFOAM开源数值平台进行单介质气动特性分析和多介质跨介质流动分析。采用滑移网格计算单介质空气旋翼和水下螺旋桨的旋转流动特性。为防止网格运动变形引起的数值发散，采用重叠网格法和多相流技术对跨介质飞行器入出水进行数值模拟。通过以上分析，验证了跨介质车辆在不同介质中的流场特性，并得到了跨介质过程中不同入水角度下车体载荷及姿态的变化情况。
点吸收波的中保真模型验证......
摘要 — 在波浪能转换器 (WEC) 的初步设计阶段，研究人员需要快速可靠的模拟工具。通常采用高精度数值模型来研究波浪与结构的相互作用，但计算成本很高。作为替代方案，中等精度模型可以提供实时级别的模拟。在本研究中，我们在相对温和的海况下操作乌普萨拉大学的 WEC，并使用 WEC-Sim 对其进行建模。该模型基于 OpenFOAM 模拟进行验证。为了分析中等精度模型捕捉 WEC 动力学的能力，我们分别研究了具有 1、2 和 3 个自由度的系统。我们研究了粘性现象的贡献，并研究了 WEC-Sim 提供的线性和弱非线性解。我们的结果表明，在起伏和纵摇运动中可以忽略粘性效应，但对于纵摇则不能。我们还发现，弱非线性 WEC-Sim 解与计算流体动力学成功一致，而线性解可能会产生误导性结果。
受牛鼻鳐启发的 AUV CFD 模型
鱼类游动的力学原理十分有趣，因为它们在操纵过程中非常灵活，而且它们的运动具有高能效的特点。更好地了解鱼类的推进力可以设计出性能更佳的新型自主水下航行器，可用于海底勘探、环境监测或监视目的。这项研究旨在开发一种鳐鱼和蝠鲼的游泳动力学模型，重点关注其推进力的能效，这是仿生 AUV 设计的起点。在 OpenFOAM 中实现了牛鼻鳐游泳运动的 CFD 模型，使用重叠网格模拟鱼从静止加速到稳定速度的过程。为此分析实现了自定义代码，允许使用流体速度和压力求解前向游泳的 1 自由度动力学。相反，由于鳍变形而施加网格运动。已经对鳍运动的不同波长和频率进行了几次模拟，并研究了不同运动参数对游泳性能和尾流结构的影响。这项研究强调了尾流中存在逆卡门街现象，以及在波长较大的鳍运动中存在前缘涡流。此外，还以新颖的方式计算了自推进体的能量效率，在牛鼻鳐游泳的情况下，其能量效率非常高。
基于遗传算法的拓扑拓扑优化航空应用中使用的热交换器鳍
拓扑优化（to）通常使用且经过充分探索。然而，它在航空航天应用中使用的复杂热流体设备设计中的利用是有限的且相对较新的。这是因为流体动力学，传热和形状之间的耦合是复杂且非线性的。此外，由于可能发生的自由形式，从一个到分析产生的几何形状通常非常复杂，而且很难制造。随着添加剂制造（AM）的出现，可以直接制造复杂的几何形状。这项研究开发了一种基于计算流体动力学（CFD）的新遗传算法（GA），以生成用于航空航天应用中使用的热交换器的优化细胞形状。为了实现这种方法，使用体素表示创建了矩形基线细节。通过突变基线限制的次数来产生一个无性群体。然后使用CFD软件包OpenFOAM评估每个设计的性能，然后应用优化算法。GA使用由整体传热和压降组成的复合材料函数对设计进行分类，并基于突变和最高表现设计的结转而生成新一代。该研究还探讨了GA对各种GA选项的敏感性以及不同流动雷诺数的影响。通常，随着雷诺数的增加，最佳相对于基线的最佳提高百分比增加，可能会提高89％。总体而言，该方法可以生成新颖的自由形式设计，这些设计可能为传热应用打开新的性能空间。