物理学 > 流体动力学
[提交于 2025年9月1日
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标题: 基于非均匀网格的热对流插值补充格子玻尔兹曼模拟
标题: Interpolation-supplemented lattice Boltzmann simulation of thermal convection on non-uniform meshes
摘要: 我们对一种插值补充格子玻尔兹曼方法(ISLBM)进行了系统评估,用于在非均匀网格上模拟浮力驱动的热对流。ISLBM通过在传输步骤中引入二次插值,扩展了标准格子玻尔兹曼框架,使得在保持算法简单性和并行可扩展性的同时,能够在固体边界附近灵活地进行网格细化。该方法应用于高雷诺数的二维侧加热腔体$10^6 \leq Ra \leq 10^8$,以及三维侧加热腔体$10^5 \leq Ra \leq 10^7$,普朗特数固定为$Pr=0.71$。基准结果表明,ISLBM能够准确捕捉温度和速度边界层,得到的努塞尔数和雷诺数与高保真参考数据高度一致。网格收敛研究表明,全局量接近三阶精度,局部场约为二阶精度。我们进一步将自研的LBM求解器与两个开源求解器进行了计算性能对比:基于谱元法的Nek5000和基于有限体积法的OpenFOAM。性能指标,包括每秒百万次格子更新(MLUPS)和无量纲时间单位的时钟时间(WCTpDT),表明ISLBM在大规模模拟中效率高出一到三个数量级。在GPU架构上,ISLBM保持了较高的计算性能:非均匀网格的吞吐量在MLUPS方面达到均匀网格的60%-70%,而WCTpDT的成本大约是其三倍。这些结果突显了基于插值的LBM方法在非均匀网格上高保真热对流模拟中的潜力,为未来扩展至湍流提供了坚实的基础。
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