FluidSim: modular, object-oriented Python package for high-performance CFD simulations
本文介绍了Python包fluidsim，它是计算流体力学（CFD）求解器的可扩展框架。它是作为FluidDyn项目的一部分开发的（Augier等人，2018年），努力促进流体力学社区内的开源和开放科学合作，并用于教育和研究目的。fluidsim中的求解器是可扩展的高性能计算（HPC）代码，这些代码由丰富的科学Python生态系统和fluiddyn和fluidfft包提供的应用程序编程接口（API）提供支持（Mohanan等人，2018年）。本文介绍了fluidsim的设计方面，即使用Python作为主要语言;重点是代码的易用性，重用和维护，而不影响性能。文中还简要介绍了求解器的实现细节，包括优化方法、特征的模块化组织和使用类实现求解器的面向对象方法。目前，fluidsim包括使用不同数值方法（包括有限差分法）的各种物理问题的求解器。然而，这篇元论文将只讨论其伪谱解算器的实现和性能，特别是二维和三维Navier-Stokes解算器。我们调查的性能和可扩展性的fluidsim在一个国家的最先进的HPC集群。介绍了基于Python（Dedalus，SpectralDNS）和Fortran（NS 3D）的三个类似的伪谱CFD代码，并与fluidsim进行了定性和定量比较。源代码托管在Bitbucket作为Mercurial存储库bitbucket.org/fluiddyn/fluidsi…
2018-07-03 cs.CE physics.comp-ph physics.flu-dyn
A Validation and Uncertainty Quantification Framework for Eulerian-Eulerian Two-Fluid Model based Multiphase-CFD Solver. Part I: Methodology
针对基于欧拉-欧拉双流体模型的多相计算流体动力学求解器（MCFD），提出了一种验证和不确定性量化（VUQ）框架。该框架旨在回答这样一个问题：如何评估MCFD求解器是否充分代表了感兴趣的多相系统的基本物理特性？所提出的框架是基于总的数据模型集成（TDESS）的方法，使用贝叶斯方法来反向量化的不确定性的求解器的预测与多个实验数据集的支持。该框架包括六个步骤，采用最先进的统计方法，包括：1）。求解器评估和数据收集; 2）.代理模型构建; 3）.敏感性分析; 4）.参数选择; 5）.利用贝叶斯推断的不确定性量化;以及6）。验证指标计算。这些步骤是以模块化方式并使用非侵入性方法制定的。这样的功能确保了灵活的框架，以不同的场景和多相流和沸腾传热建模的适用性，以及框架的可扩展性，以支持不同的MCFD求解器的VUQ。
2018-10-22 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Towards High-Order CFD-DEM: Development and Validation
CFD-DEM用于模拟固-流体系。DEM模拟离散颗粒的运动，而CFD模拟流体相。耦合都需要计算的空隙率和固体-流体力，导致计算昂贵的方法。此外，评估体积平均量局部限制了颗粒与细胞尺寸比，限制了CFD的准确性。为了减轻这些限制，我们开发了一个单片有限元CFD-DEM求解器，支持动态负载平衡并行化。这允许更稳定，更准确和更省时的模拟，因为负载平衡确保了处理器之间的工作负载均匀分布;因此，有效地利用可用资源。我们的求解器还支持高阶方案，因此，允许使用更大的元素，提高有效性和稳定性的空隙率计划，同时实现更好的精度。我们验证和验证我们的CFD-DEM求解器与大量的测试用例：瑞利泰勒不稳定性，颗粒沉降，流化床和喷动床。
2022-11-02 physics.flu-dyn
Computational Fluid Dynamics and Discrete Dipole Approximation Applied to Predict Airborne Viruses Disinfection by Ultraviolet Irradiation
CNRS, CORIA, UMR 6614, University of Rouen Normandy（法国国家科学研究中心，CORIA，联合研究单位6614，诺曼底鲁昂大学）
该研究提出CFD-DDA平台，耦合DDA求解器预测紫外线散射、CFD求解器预测飞沫蒸发传输，量化多种因素对病毒存活数的影响，提出新病毒灭活模型Dbouk-Yurkin定律，为紫外线空气消毒研究及系统优化提供有力框架。
2026-11-03 physics.comp-ph physics.flu-dyn
CFDBench: A Large-Scale Benchmark for Machine Learning Methods in Fluid Dynamics
Institute of Nuclear and New Energy Technology（核能与新能源技术研究院）
本文提出 CFDBench 大规模 CFD 基准，涵盖四类经典流动问题及 302K 帧数据，用于系统评估神经算子在未见边界条件、流体性质和流域形状下的泛化能力，并揭示现有模型误差大和自回归误差累积问题。
2024-02-23 cs.LG physics.comp-ph physics.flu-dyn
Influence of fluidizing medium on hydrodynamics and particle mixing in a binary fluidized bed: a CFD-DEM study
School of Mechanical and Materials Engineering, Indian Institute of Technology Mandi（印度曼迪理工学院机械与材料工程学院）
本研究通过CFD-DEM模拟比较水和空气作为流化介质对二元流化床的影响，发现归一化速度下空气流化导致更大膨胀和更强混合，而水流化床更均匀，表明流体性质显著影响颗粒输运机制。
2026-09-16 physics.flu-dyn
Fluid Intelligence: A Forward Look on AI Foundation Models in Computational Fluid Dynamics
NVIDIA（英伟达）；Emmi AI；Johannes Kepler University (JKU)（约翰·开普勒林茨大学）；ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）
本文提出首个结合CFD输入的缩放定律，用于数据生成和模型训练，以解决复杂流体动力学问题中的独特挑战，并提供了构建基础模型的计算成本和时间估计。
2025-11-25 physics.flu-dyn
A Validation and Uncertainty Quantification Framework for Eulerian-Eulerian Two-Fluid-Model based Multiphase-CFD Solver. Part II: Applications
本文是两部分系列的第二部分，介绍并演示了验证和不确定性量化（VUQ）框架，该框架有两个主要目的：i）。量化闭合关系参数和多相计算流体动力学（MCFD）求解器的预测的不确定性; ii）.评估求解器预测与实验测量之间的一致性。论文第一部分概述了本文的研究框架，以及相应的理论和方法.在本文中，该框架的工作流程的实施和证明了两个相关的案例研究：过冷沸腾流和绝热泡状流的壁面沸腾传热。通过两种不同的全局敏感性分析（GSA）方法：莫里斯筛选和Sobol指数的影响关闭关系参数的多个感兴趣的量（QoIs）。利用模块化贝叶斯方法对相关闭合关系的模型形式不确定性和模型参数不确定性进行了评估。通过将获得的不确定性传播通过求解器来量化QoS的不确定性。使用两种不同的验证度量：置信区间和面积度量来评估求解器预测的QoIs和实验测量之间的一致性。结果表明，该框架的适用性。
2018-10-22 physics.comp-ph physics.flu-dyn
JAX-FLUIDS: A fully-differentiable high-order computational fluid dynamics solver for compressible two-phase flows
Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）
物理系统由偏微分方程（PDE）控制。纳维-斯托克斯方程描述流体流动，并且是具有复杂时空相互作用的非线性物理系统的代表。流体流动在自然界和工程应用中无处不在，其精确模拟对于深入了解这些过程至关重要。虽然偏微分方程通常用数值方法求解，但最近机器学习（ML）的成功表明，ML方法可以提供寻找偏微分方程解的新途径。ML越来越多地出现在计算流体动力学（CFD）中。然而，到目前为止，还没有一个通用的ML-CFD软件包，它提供1）强大的最先进的数值方法，2）ML与CFD的无缝混合，以及3）自动微分（AD）功能。AD对于ML-CFD研究尤其重要，因为它提供了梯度信息，并能够优化现有的和新的CFD模型。在这项工作中，我们提出了JAX-FLUIDS：一个全面的完全可微的CFD Python求解器，用于可压缩两相流。JAX-FLUIDS允许模拟复杂的流体动力学，包括三维湍流、压缩性效应和两相流等现象。完全用JAX编写，可以直接将现有的ML模型包含到建议的框架中。此外，JAX-FLUIDS支持端到端优化。即，ML模型可以通过整个CFD算法反向传播的梯度进行优化，因此不仅包含底层PDE的信息，还包含所应用的数值方法的信息。我们相信，像JAX-FLUIDS这样的Python包对于促进ML和CFD交叉领域的研究至关重要，并可能为可微分流体动力学时代铺平道路。
2022-03-25 cs.LG physics.flu-dyn
Diffusion-Based Coarse Graining in Hybrid Continuum-Discrete Solvers: Applications in CFD-DEM
在这项工作中，粗粒化的方法，作者先前提出的一个配套文件的基础上解决扩散方程的CFD-DEM模拟，粗粒化是用来获得固体体积分数，颗粒相速度，和流体-颗粒相互作用力。通过检查守恒要求，确定了CFD-DEM模拟中求解扩散方程的变量。然后，该算法实现到CFD-DEM求解器的基础上OpenFOAM和LAMMPS，前者是一个通用的，三维CFD求解器的基础上非结构化网格。采用CFD-DEM求解器和基于扩散的粗粒化算法对流化床进行了数值模拟。收敛的结果得到连续细化网格，即使是网格的细胞大小相当于或小于粒径。这是所提出的方法优于许多现有的粗粒度方法的关键优势，并且当CFD网格的一部分中需要小单元来解析某些流动特征（例如，壁边界流中的边界层以及射流和尾流中的剪切层）时，这将是特别有价值的。此外，我们证明了所提出的粗粒化过程所产生的开销计算成本是典型的CFD-DEM模拟中的总成本的一小部分，只要每个单元格的粒子数是相当大的，虽然不可否认的粗粒化的计算开销往往超过了CFD求解器。本算法的其他优点包括更鲁棒和物理上真实的结果，灵活性和易于实现在几乎任何CFD求解器，和清晰的物理解释的算法中所需的计算参数。总之，基于扩散的方法是CFD-DEM模拟的理论上优雅和实际可行的选择。
2015-01-05 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Comparative study on mesh-based and mesh-less coupled CFD-DEM methods to model particle-laden flow
对基于网格和无网格的计算流体动力学（CFD）方法与离散单元法（DEM）的耦合进行了比较研究。作为基于网格的CFD方法，使用有限体积法（FVM）。光滑粒子流体动力学（SPH）方法代表无网格CFD。未解决的流体模型由局部平均的纳维-斯托克斯方程控制。一个新开发的模型应用边界条件的SPH的描述和验证测试进行。通过对比试验，讨论了DEM-FVM和DEM-SPH方法的异同。三个测试用例，包括一个单一的固体颗粒沉降测试，通过一个多孔块和多孔块的沉降流动，使用这两种方法进行。作用在固体颗粒上的拖曳力高度依赖于局部流体分数。出于比较的原因，选择FVM中单元的大小，使得流体分数与SPH中计算的流体分数相匹配。在一般情况下，DEM-FVM和DEM-SPH方法表现出良好的协议与分析参考结果。DEM-SPH和DEM-FVM方法之间的差异主要是由于计算的局部流体分数的差异。
2016-09-27 physics.flu-dyn
Coarse-Grid Computational Fluid Dynamic (CG-CFD) Error Prediction using Machine Learning
尽管在高性能计算方面取得了进展，但计算流体动力学（CFD）模拟对于许多实际工程应用（例如模拟大计算域和高度湍流）来说仍然是计算昂贵的。计算流体力学费用高的主要原因之一是需要一个细网格来解决相关尺度的现象，并获得一个网格独立的解决方案。精细网格的要求往往会降低计算时间步长，这使得长瞬态问题的成本过高。在本研究中，利用机器学习（ML）算法研究了粗网格CFD（CG-CFD）方法的可行性。依赖粗网格会增加离散化误差。因此，建议一种方法来产生一个代理模型，预测CG-CFD的局部误差，以纠正感兴趣的变量。给定高保真数据，训练代理模型以预测CG-CFD局部误差作为粗网格局部特征的函数。ML回归算法被用来构建一个代理模型，该模型将局部误差和粗网格特征联系起来。本文将此方法应用于一个三维流动的盖子驱动立方腔域。该方法的性能进行了评估，通过训练的替代模型的流全场的空间数据和测试的新数据（从不同的雷诺数和/或计算不同的网格大小的流量）。所提出的方法最大限度地利用现有的数据，并显示出良好的预测能力的潜力。
2017-10-25 physics.flu-dyn
CFD-DEM study of mixing in a monodispersed solid-liquid fluidized bed
该研究采用非解析CFD-DEM模型研究单分散固液流化床混合特性，用两种方法量化不同条件下的床层混合，得出无量纲混合时间存在平台期、床层无优先混合组分、多数碰撞特性对混合影响可忽略的结论。
2024-06-21 physics.flu-dyn
Numerical investigation of erosive wear considering surface degradation using coupled CFD-DEM and a bond model
本研究提出一种耦合CFD-DEM与键合模型的三维模拟方法，通过离散化固体并引入键合网络，在考虑表面变形与退化累积的同时，实现流体、结构与颗粒三方相互作用的侵蚀磨损预测，并在层流和湍流中验证了与传统CFD的一致性。
2025-02-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Amicus Plato, sed magis amica veritas: There is a reproducibility crisis in COVID-19 Computational Fluid Dynamics studies
在持续的COVID-19爆发中，有压倒性的证据表明SARS-CoV-2空气传播（AT）。然而，要推导出一个通用的框架来评估相对于其他模式的相对空气传播风险是非常困难的。这是由于这种现象所包含的复杂的生物物理学。自2002年SARS爆发以来，计算流体动力学（CFD）已成为研究呼吸道病毒AT的主要工具之一。现在，CFD模拟产生直观和物理上合理的颜色编码结果，帮助科学家了解SARS-CoV-2空气传播模式。除了验证要求外，任何CFD模型要对科学界具有认识价值，它必须是可再现的。2020年，超过45项已发表的研究使用CFD在不同场景下调查了SARS-CoV-2的空气传播。在这里，我系统地回顾了已发表的COVID-19的CFD研究，并讨论了CFD建模过程的再现性标准。利用加权评分模型（WSM），我提出了一个新的再现性指标的CFD模拟的SARS-CoV-2 AT。建议的指数$(0 \leq R^{CFD}_j \leq 1)$依赖于三个再现性标准，包括10个代表CFD研究（j）再现可能性的元素。令人沮丧的是，23项研究中只有3项（13%）达到了完全重现性指标$(R^{CFD}_j\geq 0.9)$，而其余87%的研究发现$(R^{CFD}_j<0.9)$通常不可重现。如果没有可重复的模型，CFD模拟的科学效益将仍然受到阻碍，分散和限制。总之，我呼吁科学界在COVID-19研究中采用更严格的措…
2021-01-13 physics.bio-ph physics.flu-dyn
NNPred: A Predictor Library to Deploy Neural Networks in Computational Fluid Dynamics software
神经网络预测器库已被开发用于将机器学习（ML）模型部署到计算流体动力学（CFD）代码中。为了简化CFD求解器的实现，采用了实现指针策略来隔离实现细节。该库通过封装TensorFlow C库提供简化的模型管理功能，并维护自属于的数据容器，以处理与CFD求解器接口的输入/输出（I/O）功能中的数据类型转换和内存布局。在语言层面上，该库为C++和Fortran（CFD社区中两种常用的编程语言）提供应用程序编程接口（API）。分别用C++和Fortran编写了两个开源CFD代码OpenFOAM和CFL 3D的高级定制模块。预测器的基本用法在一个简单的数据驱动的热传递问题中演示，作为第一个教程案例。另一个教程案例是使用OpenFOAM和CFL 3D代码来实现使用该库对通道流中的湍流效果进行建模。开发的ML预测库为CFD求解器中ML模型的部署提供了一个强大的工具。
2022-09-25 physics.flu-dyn
Patient-Specific Cerebral Aneurysm Hemodynamics: Comparison of in vitro Volumetric Particle Velocimetry, Computational Fluid Dynamics (CFD), and in vivo 4D Flow MRI
脑动脉瘤的患者特异性血液动力学研究的典型方法使用基于图像的计算流体动力学（CFD），并试图将壁面剪切应力（WSS）和振荡剪切指数（OSI）等参数与生长和破裂风险进行统计学关联。然而，这些研究报告了矛盾的结果，强调需要深入比较体积实验和计算流体动力学。在这项工作中，我们进行了断层粒子测速实验，使用两个患者特定的脑动脉瘤模型（基底动脉尖和颈内动脉）在脉动流条件下，并使用摇盒（STB），粒子跟踪方法处理的粒子图像。将STB数据与从体内4D Flow MRI和CFD获得的数据进行比较。虽然观察到跨模式的流径线的定性一致性，但每种模式都保持了明显独特的低标准化WSS区域的时空分布。对时间平均WSS（TAWSS）、OSI和相对停留时间（RRT）的分析表明，无量纲参数（如OSI）可能对每个受试者和模态的不同假设、限制和空间分辨率更稳健。这些结果表明，需要进一步的多模态分析以及无量纲血流动力学参数的开发，以及这些指标与动脉瘤生长和破裂风险的相关性。
2019-03-04 physics.flu-dyn
A spacetime outlook on CFD: Spacetime correlated models and spacetime coupled algorithms
提出了计算流体动力学的时空观：流体力学中的模型往往具有时空相关性，在相应的数值算法中应继承和保持这种时空相关性。从连续介质假设下流体力学的基本表述出发，定义了模型的时空相关性的含义，确立了有限体积格式的基本原理，阐述了算法时空耦合的必要性，实现了流体力学基本控制方程与有限体积格式在物理和数学上的统一。在实践中，给出了时空耦合高阶数值算法的设计方法，并比较了与时空解耦方法的差异。需要指出的是，本文的大部分内容适用于连续介质假设下的计算流体动力学，有些只适用于可压缩流动。
2020-09-01 physics.flu-dyn
Casting Computational Fluid Mechanics into a Convex Quadratic Optimization Framework
本研究利用最小压力梯度原理将非定常CFD问题转化为带线性约束的凸优化框架，可借助二次规划或KKT条件高效求解，经三个基准算例验证，能准确预测多种流场，为传统CFD提供了简单稳健的变革性替代方案。
2025-01-14 physics.flu-dyn
A Novel CFD-DEM Coarse-Graining Method Based on the Voronoi Tessellation
在未解析的流CFD-DEM模拟中，使用粗粒化算法确定每个CFD单元的孔隙度值。虽然这种方法能够耦合模拟的代表性数量的颗粒，孔隙度的影响，局部的颗粒上的流体-颗粒相互作用力没有捕获。这种贡献认为，两个网格粗粒化方法，确定每个粒子的局部孔隙度使用一个激进的Voronoi镶嵌的系统。使用相对精细的规则点云将这些局部孔隙度数据映射到CFD单元。使用两种不同的情况下，考虑分散和紧密堆积的颗粒的方法进行评估。数据表明，该方法保存孔隙度数据，是合理的网格无关，并可以产生一个相对平滑的孔隙度场。新方法可以更准确地预测多分散颗粒系统的流体-颗粒相互作用力比替代方法，已实现在未解决的CFD-DEM代码。
2022-04-15 physics.chem-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
SediFoam: A general-purpose, open-source CFD-DEM solver for particle-laden flow with emphasis on sediment transport
随着计算资源的不断丰富，计算流体动力学-离散单元法（CFD-DEM）成为泥沙运动研究中一种越来越有前途和可行的方法。现有的几种CFD-DEM求解器在化工和采矿工业中得到了应用。然而，一个强大的CFD-DEM求解器模拟泥沙输运仍然是可取的。在这项工作中，详细介绍了三维，大规模并行和开源CFD-DEM求解器SediFoam的开发。该求解器基于开源求解器OpenFOAM和LAMMPS构建。OpenFOAM是一个CFD工具箱，可以在非结构化网格上执行三维流体流动模拟; LAMMPS是一个用于分子动力学的大规模并行DEM求解器。SediFoam的几个验证测试使用各种复杂的情况下进行。在本模拟中得到的结果是一致的，在文献中，这表明了沉积物输运应用的Sedifoam的能力。除了验证测试之外，还研究了SediFoam的并行效率，以测试代码在大规模和复杂模拟中的性能。并行效率测试表明，SediFoam的可扩展性是令人满意的模拟使用O（10^7）粒子。
2016-01-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Combining Machine Learning with Computational Fluid Dynamics using OpenFOAM and SmartSim
TU Darmstadt（达姆施塔特工业大学）；Hewlett Packard Enterprise（惠普企业）；TU Dresden（德累斯顿工业大学）
本研究针对CFD+ML算法在大规模问题中实现困难的痛点，基于开源软件OpenFOAM与SmartSim提出高效可扩展的耦合方案，简化编程并保障数据交换，覆盖多模块耦合，还提供带示例的子模块供实际应用开发参考。
2024-04-23 cs.LG physics.flu-dyn
Computational Fluid Dynamics In GARUDA Grid Environment
GARUDA网格由高级计算开发中心（C-DAC）在NKN（国家知识网络）网络上开发，该中心的高性能计算（HPC）集群在地理上分散在印度各地。自1988年成立以来，C-DAC一直与HPC基础设施的开发有关。网格基础设施为异构资源的访问提供了一种安全有效的方式。在网格上启用科学应用已经研究了一段时间。在这方面，我们已经成功地使计算流体动力学（CFD）的应用程序，可以帮助CFD社区作为一个整体，以有效的方式进行计算研究，需要巨大的计算资源超出了一次在内部的能力。这项工作是目前正在进行的项目网格GARUDA由信息技术部资助的一部分。
2011-07-07 physics.comp-ph physics.flu-dyn
On the Application of Viscoelastic & Viscoplastic Constitutive Relations in the CFD Bio-Fluid Simulations
在心血管流动的计算流体动力学（CFD）模拟中应用的应力-应变本构关系的实施考虑已在文献中得到广泛讨论。然而，这一问题仍有争议。作者认为，非牛顿模型的选择和非牛顿假设与牛顿假设的考虑是非常面向应用的，不能仅仅依赖于容器的大小。在所提出的工作中，使用了肾病患者特定的几何形状，非牛顿效应表现得不明显，而血管被认为是中等至小型的，根据文献，这表明严格使用非牛顿公式。非牛顿效应的不显著性特别体现在沿数值域壁的壁面剪应力（WSS）中，其中牛顿计算的WSS与非牛顿计算的WSS之间的差异几乎不可见。
2016-08-13 physics.bio-ph physics.flu-dyn q-bio.QM
An adaptive timestepping methodology for particle advance in coupled CFD-DEM simulations
本文提出了一种自适应积分技术，用于计算流体动力学（CFD）-离散元法（DEM）耦合模拟中颗粒运动的时间推进。CFD-DEM模型提供了一个多相物理系统的精确描述，其中一个颗粒相存在于下面的连续介质。在这些模拟中的颗粒相的时间积分提出了独特的计算挑战，由于与粒子碰撞相关的时间尺度的大的变化。在这项工作中提出的算法使用本地时间步进的方法来解决碰撞的时间尺度，只有一个子集的粒子是在接近潜在的碰撞伙伴，从而导致计算成本大幅降低。这种方法被观察到比传统的显式方法快2- 3倍，涉及密集和稀疏区域的问题，同时保持相同的精度水平。
2018-02-26 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Direct reduction of iron-ore with hydrogen in fluidized beds: A coarse-grained CFD-DEM-IBM study
开发基于 CPU-GPU 混合计算的粗粒度 CFD-DEM-IBM 求解器，模拟流化床氢气直接还原两种铁矿石，并验证其准确性与参数影响。
2023-11-07 physics.flu-dyn
A Numerical Approach to Solving Nonlinear Differential Equations on a Grid with Potential Applicability to Computational Fluid Dynamics
开发并测试了一种在网格上求解非线性微分方程的有限元方法，该方法可能适用于计算流体动力学（CFD）。目前的方法有利于计算解决方案的高多项式次数的网格。通过对连续分布的未知变量的值和导数的值进行插值直到给定阶数，来实现高多项式次数。二维盖驱动腔，一个常见的基准问题的CFD方法，被用作测试用例。结果表明，增加多项式的次数有一定的优势，相比增加网格点的数量，当使用当前的方法解决给定的基准问题。目前的方法产生的结果，同意与以前公布的结果，这个测试用例。
2014-09-03 physics.comp-ph physics.flu-dyn
lifex-cfd: an open-source computational fluid dynamics solver for cardiovascular applications
本文提出lifex-cfd，一个基于lifex库的开源心血管CFD求解器，通过不可压缩Navier-Stokes方程建模血流，经收敛分析验证并展示接近理想并行加速比，证明了其在患者特异性模拟中的准确性与可靠性。
2023-11-20 cs.MS cs.NA math.NA
Recent progress and challenges in exploiting graphics processors in computational fluid dynamics
在加速使用GPU的流体流动的模拟所取得的进展，以及仍然存在的挑战，调查。本文首先介绍了GPU计算和编程，并讨论了提高性能的各种考虑因素。比较拉普拉斯和不可压缩纳维-斯托克斯方程的基于CPU和GPU的求解器的性能的案例研究进行，以证明即使是简单的代码的潜在改进。最近的努力，以加速计算流体力学模拟使用GPU的层流，湍流和反应流求解器进行审查。此外，GPU实现的格子玻尔兹曼方法进行审查。最后，给出了在GPU上实现CFD代码的建议，并讨论了剩余的挑战，例如需要开发新的策略和重新设计算法以实现GPU加速。
2013-09-12 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Computational fluid dynamics (CFD) simulation of three-phase non-Newtonian slurry flows in industrial horizontal pipelines
本研究采用混合多相模型耦合颗粒流动动力学理论，模拟工业水平管道中三相非牛顿浆料流，模拟结果与现场数据高度吻合，并揭示了沥青液滴的分布规律，为管道输送中沥青残渣分离工艺设计提供依据。
2022-08-31 physics.flu-dyn
Accelerated Computational Fluid Dynamics Simulations of Microfluidic Devices by Exploiting Higher Levels of Abstraction
本文提出一种利用更高抽象层次仿真方法加速微流控设备CFD仿真的方法，在保持CFD保真度的同时实现多个数量级的加速。
2024-01-15 cs.CE physics.flu-dyn
Data-Driven CFD Modeling of Turbulent Flows Through Complex Structures
近几十年来，计算资源的增长使计算流体动力学（CFD）的应用从传统的空气动力学和流体动力学领域扩展到许多新的领域。示例范围从核反应堆容器和数据中心中的热和流体流动到通过风力涡轮机农场和沿海植被植物的湍流。然而，在这些新的应用中，通常存在复杂的结构（例如，反应堆容器中的棒束和风力发电场中的涡轮机），这使得完全解析的基于第一原理的CFD建模过于昂贵。这一障碍严重损害了CFD模型在这些应用中的预测能力。另一方面，在上述应用中的系统中通常可获得有限量的测量数据。在这项工作中，我们提出了一个数据驱动的，基于物理的方法来执行全场反演的复杂结构的流动的影响。这是通过同化观测数据和数值模式预报的迭代EnergyKalman方法来实现的。根据反演结果，可以得到流场的速度和湍流度。目前的贡献的一个主要的新颖性是非参数，全场反演方法，这是在以往的作品中经常实行的特设模型中的系数的推断相反。所提出的方法的优点是证明了多孔盘的流动通过使用合成数据和真实的实验测量。空间变化的阻力的多孔盘上的流动推断。所提出的方法具有潜在的用于在上述应用中的复杂系统的监测。
2016-03-29 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A hybrid echocardiography-computational fluid dynamics framework for ventricular flow simulations
基于图像的计算流体动力学（CFD）已经成为研究心血管流动的有力工具，而二维超声心动图（echo）是用于诊断心脏病的最广泛使用的非侵入性成像方式。这里，回波与CFD相结合，即，回声CFD框架，研究心室流动。为了实现这一点，我们之前在标准横截面上从多个2D回波进行的3D重建被扩展为：1）重建瓣膜2）优化表面的位置和方向，以结合固定顶点的生理假设作为重建的参考（固定）点; 3）结合几种平滑算法来消除我们先前研究中观察到的基底部分附近的非物理振荡（振铃）。重建的左心室主要参数均在生理范围内。我们的研究结果表明，二尖瓣可以显着改变流动模式的左心室内的环涡的形成/传播，以及流动循环在二尖瓣阶段。此外，不健康的左心室的异常形状可以急剧改变血流阶段的流场。此外，计算了不同测试情况下的血流动力学能量损失（作为LV泵送性能的指标），结果表明，与健康LV相比，不健康LV的能量损失更大。
2019-09-20 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Radiation-cooled Dew Water Condensers Studied by Computational Fluid Dynamic (CFD)
在特定的干旱或岛屿地区，收集凝结的大气蒸汽作为露水可以作为替代或补充的饮用水资源。这种辐射冷却冷凝装置使用现有的平坦表面（屋顶）或具有更复杂形状的创新结构来提高结露量。编制了计算流体动力学软件PHOENICS，并将其应用于辐射冷却凝汽器.为此，预先对每个结构的天空辐射进行积分和平均。然后，将辐射平衡包括在CFD模拟工具中，以比较不同气象参数下，复杂或简单形状以及各种尺度下不同结构的效率。它已被用于在施工前精确不同的结构。(1)研究了7.32 m^2漏斗形状;计算出30度倾斜角（60度圆锥半角）是漏斗冷却的最佳折衷。与1 m^2平板冷凝器相比，冷却效率预计提高40%。在室外试验中进行了17个月的测量，与1 m^2平板冷凝器相比，露水产量增加了138%。(2)还将5种不同冷凝器形状的模拟结果与相应导频系统的实验测量结果进行了比较：0.16 m^2平面冷凝器，1 m^2和30度倾斜平面冷凝器，30 m^2和30度倾斜平面冷凝器，255 m^2多脊，正在Kutch地区（印度古吉拉特邦）实施的大型露水工厂的初步建设。
2007-07-17 physics.flu-dyn
Non-invasive imaging assisted CFD simulation of 4D multi-modal fluid flow using In-situ adaptor
本文提出可置于工业X射线CT内的原位紧凑适配器，结合CT/EIT与ANSYS构建4D多相流CFD环境，验证EIT可替代CT辅助并共享数据。
2024-08-04 physics.app-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Comparison of wave-structure interaction dynamics of a submerged cylindrical point absorber with three degrees of freedom using potential flow and computational fluid dynamics models
在本文中，我们比较了垂荡，浪涌和俯仰动力学的淹没圆柱形点吸收器，模拟使用势流和完全解决计算流体动力学（CFD）模型。势流模型基于时域Cummins方程，而CFD模型使用虚拟域Brinkman惩罚（FD/BP）技术。使用动力输出（PTO）装置将水下圆柱体拴在海床上，动力输出装置可抑制转换器的升沉、纵荡和俯仰运动，并吸收所有三种模式的能量。结果表明，势理论过度预测的升沉和纵荡运动的振幅，而它的结果在一个完全淹没的轴对称转换器的一个微不足道的俯仰。它还低估了浮标的缓慢漂移，而CFD模型能够可靠地捕捉到这一点。此外，我们使用完全解析的CFD模拟来研究三个自由度（DOF）圆柱形浮标在不同PTO系数、浮标质量密度和入射波高度下的性能。它表明，PTO系数预测的线性势理论是次优的波的中度和高陡度。当PTO阻尼选择为高于预测值时，波吸收效率显著提高。不同质量密度的浮标的模拟表明，低质量密度的转换器在其PTO和系泊缆中具有增加的张力。此外，质量密度也影响装置的共振周期的范围。最后，不同波高的模拟表明，在较高的高度，波的转换器的吸收效率降低，大部分可用的波能保持未被吸收。
2020-10-26 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A Data-Driven Based Concurrent Coupling Approach for Cryogenic Propellant Tank Long-term Pressure Control Predictions
本文提出一种数据驱动的并发耦合（DCC）方法，将CFD与节点技术结合，通过短期协同求解生成关联式，实现低温贮箱长期压力控制的快速准确预测，计算时间较纯CFD减少70%。
2025-04-25 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Machine Learning model for gas-liquid interface reconstruction in CFD numerical simulations
INRIA（法国国家信息与自动化研究所）；LISN（计算机科学与数值分析实验室）；Université Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学）；IFPEN（法国石油与新能源研究院）
流体体积法（VoF）被广泛应用于多相流模拟中，用于跟踪和定位两种不混溶流体之间的界面。VoF方法的一个主要瓶颈是界面重建步骤，由于其高计算成本和非结构化网格上的低精度。提出了一种基于图神经网络（GNN）的机器学习增强VoF方法，用于加速一般非结构网格上的界面重构。首先，我们开发了一种方法来生成一个合成的数据集的基础上抛物面离散非结构化网格。然后，我们训练一个基于GNN的模型，并进行泛化测试。我们的研究结果表明，在工业环境中的多相流模拟的界面重建的GNN为基础的方法的效率。
2022-07-12 cs.LG physics.comp-ph physics.flu-dyn
Realistic Representation of Grain Shapes in CFD--DEM Simulations of Sediment Transport: A Bonded-Sphere Approach
在过去的几十年里，算法的发展和计算资源的增长使得泥沙输运过程的模拟具有前所未有的灵活性。计算流体动力学-离散元方法（CFD-DEM）是高保真度的方法之一，它解决了沉积物颗粒的运动、碰撞及其与周围流体的相互作用。在大多数DEM解算器中，由于计算效率和实现复杂性的考虑，颗粒被建模为软球，尽管天然沉积物通常是非球形颗粒的混合物。以前尝试扩展基于球的DEM来处理不规则颗粒，忽略了颗粒上的流体引起的扭矩，并且该方法缺乏处理具有任意颗粒形状混合物的沉积物的灵活性。在这篇文章中，我们提出了一个简单，有效的方法来表示常见的沉积物颗粒形状与结合的球体，计算流体力，并施加在每个球体上。所提出的方法克服了现有方法的上述局限性，并提高了现有方法的效率和灵活性。通过数值模拟，验证了该方法在预测天然泥沙的下落特性、终极速度、起动阈值和输沙率等方面的优越性和有效性。模拟结果表明，该方法是一种很有前途的方法，忠实地代表天然泥沙，从而导致其输运动力学的准确模拟。所提出的方法也打开了基于第一性原理的模拟粘性沉积物的絮凝和沉积动力学的可能性。阐明这些物理机制，可以提供急需的改进的预测能力和物理理解的泥质海岸动力学。
2016-08-03 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
CFD-DEM Simulations of Current-Induced Dune Formation and Morphological Evolution
了解沉积物输运的基本机制，特别是底形形成和演变过程中的机制，具有重要的科学意义和工程相关性。传统的泥沙输移模拟方法严重依赖于经验模型，无法捕捉到泥沙输移过程中丰富的、依赖于制度的物理行为。近十年来，随着计算资源的增加，CFD-DEM（计算流体动力学-离散元方法）已成为研究泥沙运动的一种可行的高保真方法。然而，利用CFD-DEM对不同沉积物床型的生成和迁移进行全面、定量的研究还很缺乏。在这项工作中，电流引起的泥沙输运问题，在广泛的制度，包括“运动中的平床”，“小沙丘”，“涡沙丘”和悬浮运输进行了模拟。模拟使用SediFoam，一个开源的，大规模并行CFD-DEM求解器开发的作者。这是一个通用的求解器，用于粒子输运问题的含粒子流尾。验证测试进行，以证明CFD-DEM的能力，在整个范围内的泥沙输运制度。模拟结果与实验和数值基准数据的比较表明了CFD-DEM方法的优点。此外，目前的模拟与现有的研究，使用CFD-DEM的改进。本求解器给出了更准确的输沙率的预测，适当考虑颗粒体积分数对流体流动的影响。总之，这项工作表明，CFD-DEM是一个很有前途的粒子分辨方法，用于探测流致泥沙输运的物理。
2016-04-11 physics.flu-dyn
JAX-Fluids 2.0: Towards HPC for Differentiable CFD of Compressible Two-phase Flows
Technical University of Munich, School of Engineering（慕尼黑工业大学工程学院）；Technical University of Munich, Munich Institute of Integrated Materials, Energy and Process Engineering（慕尼黑工业大学慕尼黑集成材料、能源与过程工程研究所）
本文介绍JAX-Fluids 2.0，一个面向可压缩单/两相流的可微CFD求解器，通过JAX并行化实现GPU/TPU高性能计算，新增五方程扩散界面模型及多项算法改进，并验证了多种流动模拟。
2024-02-07 cs.CE cs.LG physics.flu-dyn
Computational Fluid Dynamics on 3D Point Set Surfaces
计算流体动力学（CFD）在许多情况下需要手动设计3D模型，这是一项繁琐的任务，需要特定的技能。在本文中，我们提出了一种新的方法进行计算流体力学直接扫描三维点云。所提出的方法建立一个各向异性的体积四面体网格周围的点采样表面适应，没有显式的表面重建步骤。该表面是由一个新的扩展的隐式移动最小二乘（EIMLS）标量表示，扩展的功能的定义到整个计算域，这使得它可以用于浸没边界流模拟。我们提出的工作流程允许我们自动计算点采样几何周围的流。它还提供了一个更好的控制精度的表面与有限数量的计算节点，这是一个关键问题，在CFD。
2018-12-17 cs.CE cs.CG cs.GR
AI CFD Scientist: Toward Open-Ended Computational Fluid Dynamics Discovery with Physics-Aware AI Agents
Rensselaer Polytechnic Institute（拉特格斯理工学院）
本文提出AI CFD科学家，通过结合文献引导的构思、验证执行、基于视觉的物理验证、源代码修改和图基写作，实现计算流体力学的开放式发现。
2026-05-12 cs.AI physics.flu-dyn
High-Order Computational Fluid Dynamics Simulations of a Spinning Golf Ball
本文介绍了第一次高阶计算流体动力学（CFD）模拟的静态和旋转高尔夫球在现实的流动条件。目前的结果表明，捕获复杂的流体动力学内的酒窝，导致减阻与光滑的球体，以及比较以前的实验和计算研究。高阶通量重建方法已与人工边界重叠方法配对，以简化网格生成和网格运动。采用无亚网格的尺度分辨大涡模拟（LES）方法模拟可压缩纳维-斯托克斯方程.实现这些方法的代码已在NVIDIA图形处理单元（GPU）上实现，从而实现了比传统计算机硬件更大的加速。新方法允许模拟高尔夫球和其他类似中等雷诺数的物体，在大型计算集群上模拟几天。CFD用于高尔夫球和其他运动球等物体的设计现在已经触手可及。
2018-05-29 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Sediment Micromechanics in Sheet Flows Induced by Asymmetric Waves: A CFD-DEM Study
了解振荡流中的沉积物输运对于调查沿海地区的总体沉积物预算至关重要。在工程应用中，海岸线形态变化的预测是至关重要的。由于振荡流中的泥沙输运是稠密的颗粒流，因此颗粒相互作用的适当建模是至关重要的。虽然传统的双流体方法已被应用于振荡流中泥沙输移的研究，但这些方法没有解决颗粒之间的相互作用。振荡水流中泥沙运动的颗粒分辨模型和泥沙颗粒的细观力学研究还很缺乏。在这项工作中，一个并行的CFD-DEM求解器，可以解决颗粒间的碰撞被应用于研究泥沙颗粒在振荡流中的细观力学。利用粗砂和中砂的试验数据对CFD-DEM求解器的计算结果进行了验证。与试验结果的比较表明，用该模型计算的流速、输沙通量和净输沙率是令人满意的。此外，详细介绍了沉积床的微观力学量，包括Voronoi浓度、配位数和颗粒相互作用力。结果表明，这些细观力学量在振荡周期的不同阶段的变化是显着的，这是由于不同的床的响应。为了研究沉积物床的结构特性，Voronoi体积分数和配位数的相关性进行了比较，从流化床模拟的结果。结果表明，尽管流态不同，但输沙和流化床的微观结构相似。
2016-05-27 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Encoding strategies for quantum enhanced fluid simulations: opportunities and challenges
Durham University（杜伦大学）；Newcastle University（纽卡斯尔大学）；The University of Edinburgh（爱丁堡大学）
本文探讨量子计算在流体动力学中的应用，分析不同编码策略在状态准备、测量、边界处理等环节的权衡，指出编码选择对算法设计和实际可行性有深远影响。
2026-04-27 physics.comp-ph physics.flu-dyn quant-ph
Multiscale Simulation of Fluids: Coupling Molecular and Continuum
本文综述了分子动力学与计算流体动力学耦合的多尺度流体模拟方法，分析了状态与通量耦合的联系及假设，并指出局部化不当会导致压力张量与耦合约束错误。
2023-08-03 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Applying Bayesian Optimization with Gaussian Process Regression to Computational Fluid Dynamics Problems
将基于高斯过程回归（GPR）的贝叶斯优化（BO）应用于具有实际意义的不同CFD（计算流体动力学）问题。这些问题是：i）在盖驱动的空腔中的形状优化，以最小化或最大化能量耗散，ii）通道流的壁的形状优化，以获得沿着在另一壁上形成的湍流边界层的边缘的期望的压力梯度分布，以及最后，iii）扰流器-冰模型的控制参数的优化，以获得具有实际表面冰的翼型的空气动力特性。优化问题的多样性、优化方法与任何伴随信息的独立性、在优化循环中采用不同的CFD求解器的容易性，以及更重要的是，所需的流动模拟的相对较少的数量揭示了BO-GPR方法在CFD应用中的灵活性、效率和通用性。它表明，以确保找到的尺寸高达8的设计参数的全局最优值，少于90个执行的CFD求解器是必要的。此外，据观察，流量模拟的数量并没有显着增加的设计参数的数量。这些模拟的相关计算成本对于许多具有实际意义的优化案例来说是可以负担得起的。
2021-11-12 physics.flu-dyn
CFD investigation of thermal performance of aluminum oxide nanofluid in channel
本文采用两相流方法，对氧化铝纳米流体在有翅片和无翅片的方形通道内的压降和传热性能进行了CFD研究。采用有限体积法，在所考虑的区域内采用恒定的外壁热流和层流状态。结果表明，纳米颗粒体积浓度和雷诺数的增加对换热系数的提高有显著的影响。此外，纳米颗粒直径的增加对传热效率有相反的影响。被动方式导致更高的压降。对于所考虑的所有流体，压降随着雷诺数而升高。向水中注入纳米颗粒会导致压降的增加，并且这种影响在纳米颗粒体积分数高时更为显著。
2017-12-01 physics.app-ph physics.flu-dyn
Benchmarking of a preliminary MFiX-Exa code
MFiX-Exa是劳伦斯伯克利国家实验室和国家能源技术实验室正在积极开发的一种新代码，是美国能源部Exascale计算项目的一部分。MFiX-Exa代码开发的起点是从现有的MFiX-DEM代码中提取基本的计算流体动力学（CFD）和离散单元法（DEM）功能，该代码被重构为AMReX代码架构，在本文中称为初步MFiX-Exa代码。虽然需要对代码库进行重大更改以生成具有艾级能力的应用程序，但对原始代码进行基准测试有助于为未来的开发建立一个有效的起点。在这项工作中，被认为是四个基准的情况下，每个对应的实验数据集的CFD-DEM验证的历史。我们发现，初步MFiX-Exa代码相比，毫不逊色经典MFiX-DEM模拟预测三个段塞/鼓泡流化床和喷动流化床。与实验数据的比较也是可接受的（在先前CFD-DEM基准测试和验证练习的预期精度内），其由几种测量技术组成，包括粒子跟踪测速法、正电子发射粒子跟踪和磁共振成像。最后，概述了计划的开发工作和潜在的基准案例，以验证新的MFiX-Exa功能。
2019-09-04 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A novel formulation for the study of the ascending aortic fluid dynamics with in vivo data
评价胸主动脉血流动力学的数值模拟包括计算流体动力学（CFD）方法或流体-结构相互作用（FSI）方法。虽然CFD通过应用刚性壁简化忽略了沿心动周期的动脉变形，但另一方面，FSI模拟需要对材料属性定义进行大量假设并且计算成本高。本研究的目的是研究一种新策略的可行性，该策略基于径向基函数（RBF）网格变形技术和瞬态模拟，能够在心动周期期间引入患者特定的主动脉几何形状变化。从医学图像出发，重建心动周期不同时相的主动脉模型，并在仿真过程中通过适当激活增量RBF解，获得瞬时形变。在主要血流动力学参数方面，将结果与最小和最大容积下主动脉模型的两次CFD模拟进行了比较。我们实施的策略以高精度处理心动周期期间的实际动脉变化，捕获几何变化对流体动力学的影响，克服标准FSI方法的复杂性。
2022-04-01 physics.flu-dyn
Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis of mixed convection heat transfer enhancement in a channel with complex rotating obstruction
本论文将一变速导热圆柱置于一矩形通道中间，并以主动式流动修正系统来模拟二维稳态混合对流热传现象。在当前的研究中，下壁安装有离散的等通量加热器，而上壁保持在等温低温。通过通道的空气的普朗特数保持恒定在0.71，而雷诺数和格拉肖夫数对于四种不同的圆柱配置（包括（a）没有圆柱的通道，（b）具有固定圆柱的通道，（c）具有顺时针旋转圆柱的通道，以及（d）具有逆时针旋转圆柱的通道）变化很大。只有顺时针和逆时针旋转设置具有0.5、1.0和1.5的速比变化。流线和等温线的分布被用来评估对流型和温度场的影响，而局部和表面平均努塞尔数被用来分析对传热现象的影响。研究结果表明，格拉肖夫和雷诺数，转速，和圆筒结构的流动模式，温度场和传热特性有显着的影响。
2022-10-23 physics.flu-dyn
Modeling and Computational Fluid Dynamics Validation of a Nonholonomically Constrained Two-Rigid-Body Swimming System
Michigan State University（密歇根州立大学）
本文提出了一种基于非holonomic约束的双刚体游泳模型，通过CFD验证展示了其在不同雷诺数下对游泳动力学的准确捕捉能力。
2025-11-25 physics.flu-dyn
Development of a coupling between a system thermal-hydraulic code and a reduced order CFD model
核社区已经将几个三维计算流体动力学（CFD）求解器与一维系统热工水力（STH）代码相结合。这项工作提出用降阶模型（ROM）代替CFD求解器，以降低计算成本。系统代码RELAP 5-MOD3.3和有限体积CFD求解器OpenFOAM的ROM通过使用隐式耦合方案的分区区域分解耦合算法耦合。在ROM中使用惩罚方法施加在耦合边界界面上的速度。耦合模型进行评估开放和封闭的管流配置。ROM的耦合模拟结果与CFD求解器的结果接近。此外，对于新的参数集，耦合RELAP 5/ROM模型能够预测耦合RELAP 5/CFD结果具有良好的精度。最后，与ROM耦合比与CFD求解器耦合快3-5倍。
2020-10-20 physics.flu-dyn
