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基于计算流体力学的太阳风研究与仿真

2020-12-14阅读(205)

基于计算流体力学的太阳风研究与仿真

论文摘要

随着空间信息技术、大气物理学等学科的迅速发展,人类对宇宙的探索不断深入,宇宙中的各种潜在的对人类危害也逐渐显露。太阳风就是其中一种人类了解甚少而危害巨大的宇宙现象,它能干扰人类无线通信、引起地磁暴、破坏人类空间站等。我国嫦娥探月工程,带回了宇宙空间中的大量太阳风数据与信息,这些信息将为我国研究太阳风与空间信息技术带来巨大的助益。如何利用这些数据建立太阳风系统的数理模型并进行系统仿真,成为当前研究的重大课题并具有十分重要的科学意义和应用价值。建立太阳风仿真系统的关键技术在于对太阳风数据的研究,总结太阳风的物理特性,结合磁流体力学、天体物理学等相关理论,建立真实可靠的太阳风运动模型,并使用计算机技术进行计算与仿真。目前,对太阳风数据的研究取得初步进展,但是建立太阳风的准确数理模型攻克许多难关,主要问题是太阳风本身的规模巨大、行程遥远、影响因素众多,准确数据仍难以取得。任何科学在研究之初都可以通过简化相关数据来进行基础研究,建立理想条件下的太阳风运动数理模型并应用离散数学方法在计算机上求解,是当前太阳风研究的主要课题,其中各项关键技术与相关学科的研究也势在必行。本文针对建立太阳风初步数理模型并在计算机上进行仿真,提出应用当前相对成熟的计算流体动力学相关理论,建立瞬态太阳风流体数理模型,通过工程上常用同位网格下的SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations）算法进行Navier-Stokes方程与连续方程的求解,并运用图形学相关理论知识、以OGRE图形引擎为平台、运用GPU渲染技术进行计算机渲染与实现。该方法虽然不能建立完全正确的太阳风数理模型,也不能获得真实的仿真结果,但是它提出了一种太阳风初步研究和简化仿真的方法,为以后更进一步研究太阳风系统有重大的指导意义。论文主要研究工作和创新性工作如下:（1）研究了太阳风的流体性质。（2）研究了计算流体力学的相关理论基础以及SIMPLE系列算法。（3）提出了一种基于计算流体动力学的太阳风数理模型的简化方法。（4）深入研究OGRE图形引擎、图形学知识以及GPU编程。（5）提出应用CPU计算太阳风数理模型协同GPU进行渲染的方式来加速仿真效率的方法。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 研究背景
  • 1.2 太阳风仿真的研究现状
  • 1.3 OGRE 引擎的研究现状
  • 1.4 本文的主要研究内容与主要研究成果
  • 1.4.1 主要研究内容
  • 1.4.2 主要成果
  • 1.5 论文组织结构
  • 本章小结
  • 第2章 太阳风系统仿真综述
  • 2.1 太阳风概述
  • 2.1.1 太阳风
  • 2.1.2 太阳风危害实例
  • 2.1.3 太阳风潜在价值
  • 2.1.4 太阳风对地球磁场的影响
  • 2.2 太阳风系统仿真
  • 2.2.1 太阳风系统仿真的意义
  • 2.2.2 太阳风系统仿真的实现
  • 本章小结
  • 第3章 建立太阳风数理模型
  • 3.1 太阳风流体性质研究
  • 3.2 CFD 的特点与工作步骤
  • 3.3 流体的特性和模拟算法
  • 3.3.1 计算流体动力学（CFD）的数值方法
  • 3.3.2 流体与流动的分类
  • 3.3.3 流体的基本控制方程
  • 3.3.4 流体控制方程的通用形式
  • 3.4 CFD 数值解法介绍
  • 3.4.1 有限体积法简介
  • 3.4.2 流场数值计算方法
  • 3.4.3 交错网格和同位网格
  • 3.5 SIMPLE 算法详解
  • 3.5.1 SIMPLE 算法概述
  • 3.5.2 速度修正方程
  • 3.5.3 压力修正方程
  • 3.5.4 边界条件
  • 3.5.5 PISO 算法描述
  • 3.6 代数方程组的基本解法
  • 3.6.1 高斯‐赛德尔迭代法
  • 3.6.2 TDMA 法解对角方程组
  • 3.6.3 松弛法
  • 3.6.4 同位网格下的 SIMPLE 算法
  • 3.7 瞬态问题的数值计算
  • 3.8 可压缩流体
  • 本章小结
  • 第4章 仿真关键技术
  • 4.1 GPU 编程研究
  • 4.2 RenderMonkey 简介
  • 4.3 OGRE 研究
  • 4.3.1 OGRE 3D 的起源
  • 4.3.2 OGRE 特点
  • 4.3.3 OGRE 的模块
  • 4.3.4 OGRE 中的数学
  • 本章小结
  • 第5章 系统实现与测试
  • 5.1 框架设计
  • 5.1.1 基本元素
  • 5.1.2 监听器实现
  • 5.1.3 场景的插件方式开发
  • 5.2 系统模块设计
  • 5.2.1 GUI 图形用户交互模块
  • 5.2.2 图形渲染模块
  • 5.2.3 数学物理模块
  • 5.2.4 GPU 粒子模块
  • 5.3 系统测试
  • 5.4 仿真系统改进
  • 5.4.1 磁流体数理模型
  • 本章小结
  • 总结与展望
  • 致谢
  • 参考文献

    • 相关论文文献

    • [1].基于机器学习的太阳风分类及其空间天气预警应用研究获进展[J]. 高科技与产业化 2020(06)
    • [2].拥抱太阳,追寻太阳风[J]. 百科探秘(航空航天) 2018(11)
    • [3].《太阳风》[J]. 辽河 2016(11)
    • [4].太阳风信息云存储及访问控制研究[J]. 濮阳职业技术学院学报 2014(04)
    • [5].漫话太阳风[J]. 军事文摘 2019(10)
    • [6].揭太阳风加速能量起源之谜:可打造光压飞船[J]. 黑龙江科技信息 2013(09)
    • [7].太阳风膨胀模型建立及磁场影响研究[J]. 数字通信 2013(06)
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    • [9].“太阳风”和“太阳风暴”[J]. 中学生数理化(七年级数学)(配合人教社教材) 2010(12)
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