直接数值模拟

直接数值模拟不需要对湍流建立模型，对于流动的控制方程直接采用数值计算求解。由于湍流是多尺度的不规则流动，要获得所有尺度的流动信息，对于空间和时间分辨率需求很高，因而计算量大、耗时多、对于计算机内存依赖性强。目前，直接数值模拟只能计算雷诺数较低的简单湍流运动，例如槽道或圆管湍流，现如今它还难以预测复杂湍流运动。

简介

直接数值模拟不需要对湍流建立模型，对于流动的控制方程直接采用数值计算求解。由于湍流是多尺度的不规则流动，要获得所有尺度的流动信息，对于空间和时间分辨率需求很高，因而计算量大、耗时多、对于计算机内存依赖性强。直接数值模拟只能计算雷诺数较低的简单湍流运动，例如槽道或圆管湍流，现如今它还难以预测复杂湍流运动。

一个直接数值模拟（DNS）是一个模拟的计算流体力学中的Navier - Stokes方程进行数值求解无任何湍流模型。这意味着整个范围的空间和时间尺度湍流时，必须同时解决。所有的空间尺度湍流必须在计算网格中解决，从最小的耗散尺度（ Kolmogorov microscales），到最大的积分尺度L，L与大部分包含动能的运动有关。

其他信息

其中Re是湍流雷诺数：

因此，在DNS记忆存储需求的增长速度非常快与雷诺数。此外，考虑到非常大的内存有必要的，及时的解决方案集成必须由一个明确的方法进行。这意味着，为了准确，一体化必须做一个时间步长，长Δt，足够小，使得流体质点只有一步之分数，在每个网格间距小时。

DNS的计算量非常高，即使在低雷诺数。对于雷诺数应用中遇到的大多数工业，以DNS所需的计算资源的能力将超过对现有的最强大的计算机。然而，直接数值模拟是一种在湍流理论研究的有用工具。使用DNS是有可能进行“数值实验”，并从中提取他们的信息很难或者不可能在实验室中获得，允许对湍流物理的了解。

此外，直接数值模拟模型中是非常有用的发展为尺度湍流模型的实际应用，如分格，大涡模拟（LES）和方法模型，解决了雷诺平均NS方程（雷诺平均）。这是通过的“先验”的测试，其中对模型的输入数据是从DNS模拟，由“事后”的测试，其中由模型产生的结果与DNS的值作比较或手段。在世界上最大的DNS，截至目前为止，使用网点4096^3个。这是在日本进行的地球模拟器超级计算机在2002年开始运作。

在青年科学基金项目《基于粒子-格子耦合方法的颗粒流体系统直接模拟》（No.21106155）的资助下，研究团队成功实现了基于粒子－格子耦合方法的颗粒流体系统直接数值模拟算法，利用我们课题组研制的千万亿次超级计算系统Mole-8.5，使用672个GPU进行并行计算，实现了目前全球最大规模气固系统直接数值模拟（二维包含1,166,400个颗粒和三维包含129,024个颗粒的气固两相流直接数值模拟）。首次到达尺度无关规模的直接模拟结果, 在传统计算网格上得到了真正有意义的直接模拟统计结果, 探索了介尺度结构对颗粒统计属性、气固相间作用力以及传递特性的影响。