● 摘要
大涡模拟具有计算量适中、计算结果丰富等优点，已越来越多地应用于湍流计算领域。其主要的研究热点集中于可压缩性流的亚格子模型、涡粘系数的动态确定方法以及大涡模拟的实际工程应用等方面。
在大涡模拟计算中，关键在于如何建立亚格子模型。亚格子模型是对湍流中流体微团的动量或能量交换行为的描述其性质应当包括：可以正确的预测整个流场的耗散；对层流流动不产生影响；与最小分辨尺度有较强的相关性而不是与整个湍流脉动谱相关；能够预测可解尺度与不可解尺度间的能量交换。在目前较为通用的亚格子模型中，只有一部分完全具备以上几种性质。而且这样的模型通常需要更多的计算量。
本文通过分析建立了亚格子耗散能量和亚格子变形率张量联系，提出了一种新型亚格子模型。这一新的模型能够较好地体现亚格子模型应有的性质。一系列的数值实验表明，新模型的能量耗散在量级大小和空间分布上与传统的耗散型模型相比更加合理。新模型在提高计算精度的同时并未引入更多的计算量，因而其计算量与相似模型大致相当。
并行计算是充分利用硬件资源、使计算加速的有效手段。近年来，基于图形处理器的通用计算技术日渐成熟。这种方法适用于高并发度的大规模并行计算。传统的流体力学数值算法通过适当的改动就可以很好的应用图形处理器的并行计算加速，即使是普通的桌面显示核心也能够达到较好的并行化效果。
本文在流体力学并行计算的研究中，首先对传统并行计算进行了优化。其中包括：调整了进程间的通信策略，将进程的统一同步改为局部同步，有效减少了进程的等待时间；通过网格块的划分策略平衡进程负载；优化了数据存储策略，提高了磁盘操作效率。通过典型的大涡模拟算例和一个复杂的工程应用证明了通信优化的有效性，还揭示出网格划分对并行计算的重要影响。
其次，本文使用按照网格点划分计算单元的方法进行了图形处理器辅助加速计算。文章中提出了中央处理器与图形处理器协同计算的思想，按照数据计算的特点将全部计算过程划分成串行计算和并行加速两部分，首次实现了多块网格完整三维湍流大涡模拟的双精度数值计算。本文通过分析系统内存和显示内存的特性并加以优化，突破了网格分块和显示内存数量对计算的限制，为大涡模拟的大规模并行计算及工程应用打下了基础。