计算流体力学并行计算技术研究综述

本文综述了中国空气动力研究与发展中心计算空气动力学研究所近年来开展的并行算法研究应用工作.包括有基于工作站机群和微机机群建立了分布式网络并行计算环境;在此并行环境下开展了CFD并行算法研究和并行应用软件开发研制;与国防科技大学计算机学院合作,开展了大型系列并行机研制过程中所选择的CFD并行程序的研制,并对计算机并行性能进行了测评.     

ICT图像重建并行处理技术

在ICT图像重建中一般采用的并行系统有阵列处理机、基于多个PC机的MIMD系统、由多个DSP和反投影专用处理器组成的多处理器系统和工作站机群。     

三维分区对接网格Euler方程的并行数值模拟

本文根据CFD中分区对接网格的特点，应用基于工作站集群系统的MPI网络并行环境，实现了典型双三角翼模型亚声速绕流Euler方程的并行计算。文中对计算结果的收敛情况、耗时、加速比及效率等并行性能指标进行了讨论。结果表明，多域多机与单域单机的计算结果基本吻合；2节点并行效率达到88．21％，4节点并行效率达到78．99％。     

面向对象技术在CFD分区并行计算中的应用研究

结合面向对象和分区的方法,在C0Ws和MPP系统上实现了面向对象、分区并行的CFD算法.通过分区的方法,将CFD计算划分成可并行执行的交互式子问题;通过面向对象的分析,提出了CFD计算对象及其层次关系模型,它合理地组织了CFD中复杂的计算关系,提高了CFD程序的可维护、可重用性.CFD对象自然地表达了分区并行的模型,在MPI平台的支持下并行程序的设计较为简单,且形成的程序具有良好的可移植性.通过分析及算例应用可以看出面向对象、分区并行方法对整体解的影响较小,减少了程序运行的墙上时间,能够应用于大型、复杂的流动分析.     

并行多重网格算法求解跨声速Euler方程

在工作站网络分布式存贮ＰＶＭ环境下组织了有效求解三维跨声速Ｅｕｌｅｒ方程多重网格算法的并行计算，讨论了如何将串行算法转变为并行算法，并有效提高并行效率的一些基本方法，最后分析了影响并行效率的一些瓶颈问题。     

非结构混合网格自适应并行技术

计算流体力学（CFD）模拟实际工程问题所采用的网格规模可达千万量级，并行技术是减少计算时间的有效方法。耦合流场信息的网格自适应技术能有效动态优化计算网格，被NASA视为一项亟待发展的CFD关键技术。混合网格自适应系统包含网格分布优化、表面网格投影和空间网格匹配等关键技术。针对以上3项关键技术分别建立了高效的并行算法。首先，提出了"先唯一后同一"的两步法策略实现了网格单元分布优化过程的并行相容性；其次，基于局部曲面拟合思想，实现了曲面重构和新增物理网格点投影的完全并行；再次，提出了空间网格匹配技术的半并行算法，快速解决了网格单元交错问题。为了提高后续流场计算的并行效率，发展了基于并行重分区-网格数据迁移方法的动态负载平衡技术，并采用圆柱激波流场自适应模拟对动态负载平衡技术进行初步验证。最后，采用三角翼自适应加密测试了自适应系统的并行效率。结果表明，建立的混合网格自适应系统并行效率较高，且相比流场求解耗费总时间的比例低于1%。     

多块网格网络并行计算中的负载分配研究

针对CFD中多块网格计算的特点，并使用MPI网络并行系统，对某战斗机绕流进行了基于三维Euler方程的并行计算，主要研究了多块网格并行计算中负载的分配方法，发展了负载自动分配和网格自动重分区程序，计算结果表明：并行计算结果和实验结果完全吻合，8个节点机的并行效率达到了89％。     

攻击机机群在整个战斗飞行过程中作战效能分析的数学模型

讨论建立了攻击机机群与地面目标战斗数学模型，攻击机机群战斗飞行数学模型，并以平均动态学理论为基础，建立了攻击机机群在整个战斗飞行过程中作战效能分析的数学模型。     

韧性无人机群多域协同方法建模与求解

为提高无人机群(UAVS)在执行任务过程中的抗干扰能力，提出了一种韧性无人机群多域协同方法，并对其进行建模与求解。首先，改进了韧性无人机群恢复因子；在此基础上，通过协调机群中的非重要节点接替受扰机群中的重要节点，以提高受扰动无人机群的性能；最后，通过仿真验证了该方法的有效性。结果表明，该方法能够有效地恢复受扰动无人机群的性能，使其性能快速恢复到任务基线以上，从而确保了任务的完成，增强了无人机群的韧性。该研究结果为无人机群协同作战提供了新思路、新方法。     

LM-NS3D程序的并行化及性能分析

以PVM为消息传递支持软件实现了低马赫数流动三维数值模拟程序LM-NS3D的并行化,考虑了通信优化、数据局部化及负载平衡等.在两种并行平台上测试表明可扩展性好,并行效率高.分析了测试结果,讨论了提高并行计算性能的一些途径,总结了该类型CFD程序的并行化方法.     

基于流场/声爆耦合伴随方程的超声速公务机声爆优化

基于自主研发的大规模并行结构化网格CFD求解器PMB3D以及并行化伴随方程求解器PADJ3D，开展了流场/声爆伴随方程的求解研究。首先采用标准算例，对内部CFD代码PMB3D软件和声爆预测代码进行了声爆计算可信度验证，以及声爆强度对近场声压梯度的校核。针对并行环境下多块对接网格的近场声压提取操作的复杂性，提出了"包围盒"的方法实现并行环境下近场声压装配单元编号、网格块编号以及对应的进程编号确定，基于声爆计算坐标将并行传递的数据进行一维排序，为声爆预测、伴随方程以及梯度求解提供输入条件。通过线性插值雅克比矩阵实现均匀坐标系梯度信息向非均匀坐标转换，并进一步根据结构化网格特征提出了插值原则，简化了近场声压转换雅克比矩阵的变分。通过装配单元记录，实现声爆强度对流场守恒变量的变分结果向各个进程装配，将装配结果作为流场伴随方程的右端项实现流场声爆耦合伴随方程的求解。此外，对小型超声速公务机开展了声爆优化，对比分析了设计前后的声压及其频谱特性。     

CFD数学模型的线性化方法及其应用

计算流体力学(CFD)方法不仅仅起到数值模拟的作用,它本身是一个复杂的非线性系统。在流动稳定性分析、气动弹性分析、优化设计以及流动控制等领域,从系统的角度出发,对CFD数学模型线性化后,可以对模型的系统矩阵进行定量分析获得更多的系统特性。但是CFD数学模型往往非常复杂且阶数很高,因此其线性化系统矩阵的获得比较困难。鉴于此,采用人工编程和自动微分相结合,构造有限体积法并行CFD模型的线性化系统矩阵。其中自动微分只被用来得到每个界面通量的局部雅可比矩阵,而采用人工编程方法来实现并行环境下的稀疏雅可比矩阵的组装。线性化系统的并行求解采用了块雅可比预处理的广义最小残量法,每个并行进程内部则采用零填充不完全LU分解预处理。为了验证这种线性化方法,上述方法被用于:① NACA 0012翼型的非定常绕流线性系统构造与求解;② NACA 0012翼型稳态流动的伴随方程构造与求解;③ AGARD wing 445.6机翼颤振问题降阶建模。上述三个算例的结果与CFD模拟的吻合一致。     

机群编队对地攻击飞机武器系统作战模型研究

从机群编队对地攻击飞机武器系统作战顶层人手，建立了同类型机群及混合机群对地攻击飞机武器系统编队作战行动模型，给出了总体效能指标与飞机武器系统飞行阶段的效能指标关系，并进行了综合优化分析，为对地攻击飞机武器系统作战效能分析与综合打下了基础。     

多块多重网格法及其跨声速转子内流并行模拟

为提高压气机内部复杂流动计算的收敛速度,发展了一种多块多重网格上的可压缩流动并行计算流体动力学(CFD)方法,数值模拟了跨声速转子NASA Rotor 35内部流动及气动性能,重点分析了对接分区方式和内界面通信模式对并行性能的影响。结果表明:对接分区方法和多块多重网格内界面数据处理方法能够保证串、并行CFD方法结果基本一致,且与实验数据吻合良好;并行精度基本不受分区数目和通信模式的影响,并行效率随着相对通信负载的增大而降低。所发展的并行计算方法对跨声速转子气动分析和设计具有一定的可靠性,为开发大型流体机械复杂流动的基础并行算法及软件提供了参考价值。     

高性能计算机群的信息安全

<正>目前国内外针对高性能计算机群技术的科研,主要集中在机群自身的性能和并行算法的研究上,对机群整体的安全性研究却相对较少。此外,目前我国还没有一套完整的高性能计算安全标准体系,标准的缺失带来的种种弊端日益凸显。随着应用的不断深人以及模式多样化、并行化和系统开源化的高速发展,高性能计算机群平台更加趋于开放性和普遍性。这种模式带来便利的同时也增加了网络的风险性,越来越多的恶意攻击者将目光投向高     

非结构CFD软件MPI+OpenMP混合并行及超大规模非定常并行计算的应用

常规工程应用中，非定常数值模拟（如多体分离）的计算量十分巨大，如果为了达到更高的计算精度，加密网格或者采用高精度方法将会使得计算量进一步增大，导致非定常数值模拟在CFD工程应用中成为十分耗时和昂贵的工作，因此，提高非定常数值模拟的可扩展性和计算效率十分必要。为充分发挥既有分布内存又有共享内存的多核处理器的性能和效率优势，对作者团队开发的非结构网格二阶精度有限体积CFD软件（HyperFLOW）进行了混合并行改造，在计算节点间采用MPI消息传递机制，在节点内采用OpenMP共享内存的MPI+OpenMP混合并行策略。首先分别实现了两种粒度（粗粒度和细粒度）的混合并行，并基于国产in-house集群采用CRM标模（约4 000万网格单元）定常湍流算例对两种混合并行模式进行了测试和比较。结果表明，粗粒度在进程数和分区数较少的小规模并行时具有效率优势，16线程时效率较高；而细粒度混合并行在大规模并行计算时具有优势，8线程时效率较高。其次，验证了混合并行在非定常计算情况下的可扩展性，采用机翼外挂物投放标模算例，分别生成3.6亿和28.8亿非结构重叠网格，采用对等的（P2P）网格读入模式和优化的重叠网格隐式装配策略，网格读入和重叠网格装配耗时仅需数十秒；采用3.6亿网格，完成了非定常状态效率测试及非定常分离过程的湍流流场计算，在in-house集群上12 288核并行效率达到90%（以768核为基准），在天河2号上12 288核并行效率达到70%（以384核为基准），数值模拟结果与试验结果符合良好。最后，在in-house集群上采用28.8亿非结构重叠网格进行了4.9万核的并行效率测试，结果显示，4.9万核并行效率达到55.3%（以4 096核为基准）。     

超燃发动机化学非平衡场的并行计算

本文在工作站群机及大规模并行处理机(MPP)上进行了超燃发动机内氢气/空气的混合与燃烧流场的并行计算.根据两类并行机的不同时延特性,采用不同的使通讯开销最小的分区方法.同时针对不同类型的问题采用了恰当的并行策略.在两类并行机上均得到了计算结果及令人满意的并行加速比.     

基于SMP机群的航空CFD并行技术应用研究

针对SMP机群的双层并行体系结构,研制出一种双层并行技术--在计算节点间采用MPI消息传递模式并行,而在计算节点内部采用OpenMP编译器指令模式并行.通过算例测试证明,采用该技术的航空CFD程序,并结合贪婪负载平衡分配技术进行并行计算,其效率可达94%,计算结果与实验值吻合.     

隐格式并行直接求解方法研究

讨论了由CFD问题得到的大型稀疏线性方程组的并行直接法求解问题.介绍了三对角型方程组的SPP算法,将之推广来求解一般的带宽较窄的带状或者稀疏带状线性方程组.介绍一般稀疏的线性方程组的基于排序后再分解的并行求解方法的步骤及其中的一些关键问题.     

飞机的可靠性准则

现代飞机种类的增加，既促成了各种用途的航空技术产品的工作特性和使用条件的多样性，也促成了使用飞机可靠性准则的必要性。本文从分析飞机的主要工作特性入手，对飞机系统的可靠性准则进行了分析。给出在完成任务期间飞机及其设备无故障工作的概率及评估方法。讨论了机群的可靠性准则，给出了机群的故障概率及在无法修复条件下和可修复条件下评估机群可靠性的方法。