中航工业高性能计算和网格应用系统

简要介绍了网格计算在航空工业的应用情况,提出了中航工业高性能计算和网格应用系统AVICGrid的总体框架,及其在飞机高精度大规模气动计算、气动弹性优化设计和数字化装配等三个典型应用方向的网格实现技术,实现了AVICGrid原型系统,为通过网格计算技术提供全行业高性能计算服务打下基础。     

网格技术

网格计算是一种新兴的解决大规模复杂问题的应用技术，网格是Internet的发展方向。文章阐述了网格的定义、体系结构、以及实现网格计算的关键技术，介绍了国内外网格技术的研究现状、应用前景和发展趋势。     

基于网格的多学科飞机优化技术

基于网格技术的多学科优化系统可以解决飞机设计中大量的跨学科优化问题,有效地解决了领域差异很大、目标函数相关性不明显、同一飞机的完全不同计算模型的优化问题.此外,网格平台为遗传算法的大规模并行计算提供了良好的软、硬件及数据共享环境,使多个应用程序可以以服务形式在网格平台上进行跨洲际并行运算,在实现软件资源充分利用的同时解决了知识产权问题.     

复合正交级数神经网络模型在飞控中的应用

针对现有神经网络逼近快变非线性函数能力低、结构复杂等问题,提出了复合正交多项式模型和一种改进的正匀多项式神经网络模型。这两种模型综合了正交级数和神经网络的结构特点,便于工程实现。理论研究和仿真计算表明,使用此模型构造快变非线性函数时,可使神经网络的节点数成倍减少,神经网络的训练次数成倍降低。飞行器非线性控制的应用表现,此方法可用来解决一般非线性系统的控制问题。     

固体火箭发动机燃烧室三维流场数值模拟

利用ＳＩＭＰＬＥ方法数值求解层流Ｎ－Ｓ方程，模拟了具有移动边界的固体火箭发动机燃烧室内的三维流场。网格划分采用交错网格技术，流场计算时不进行网格划分，而是直接读取网格点的值，将网格划分与流场计算分开，解决了现有计算机内存不够的问题，计算获得了满意结果。     

嵌合体技术中的链接网格方法和数据流控制

本文在部件结合区域引入链接网格方法生成网格,以便解决复杂流场计算使用嵌合体技术在接合部位的找点问题,并将指针变量附加到嵌套网格的数据结构中形成一个系统数据流控制来处理多部件复杂流场的计算.     

湍流模拟壁面距离MPI/OpenMP混合并行计算方法

针对计算流体力学在湍流数值模拟过程中壁面距离计算效率不高的问题,设计了一种基于ADT数据结构搜索的MPI/OpenMP混合并行计算方法,以大幅提高大规模网格壁面距离的计算效率,降低因内存消耗而对网格规模的限制。首先分析了壁面距离计算精度对湍流模拟的重要性,介绍了壁面距离计算的几何基础。随后基于区域分解思想,将计算域划分为不同的子分区,服务器进程收集全局壁面面元网格信息后发送给其他所有进程,各进程根据全局壁面信息,基于ADT数据结构搜索其网格分区内的单元,精确计算壁面距离。为了解决全局壁面信息内存过大的问题,采用MPI/OpenMP混合并行算法,使得各计算节点中仅有一个或少数几个壁面信息备份,这些壁面信息备份被节点内的其他各进程所共享。最后采用大规模网格进行了壁面距离计算测试,网格规模最大达到33.2亿,结果表明,该方法的计算精度和直接搜索法一致,内存耗费下降70%,计算时间减少约1个量级,能满足大规模CFD数值模拟的需求。     

模型加力室大涡模拟的并行计算

采用基于MPI(消息传递库)的并行算法,在贴体网格下对带V形槽稳定器模型加力燃烧室紊流化学反应流场进行数值模拟,湍流模型采用k方程亚网格尺度模型,燃烧模型采用亚网格EBU模型,采用热通量辐射模型估算辐射通量。在程序设计中,采用动态内存分配、分区算法和多点重合交错网格系统,并行计算的结果与单机运行结果的对比表明计算结果是正确的,可以明显的提高运算效率,是解决复杂燃烧流动大规模数值模拟的有效手段。      

Altix 450在三维定常N—S层流数值模拟计算中的并行计算效率研究

在共享内存服务器Altix450上,应用Fluent流体计算软件进行三维定常N—S层流数值模拟计算,研究了该系统的加速比,并行效率和可扩展性;在对网格数为500万和1000万的两次计算对比中发现,当网格数据大的时候,该系统并行优势明显。结果表明,大型的共享内存服务器在计算流体力学中对解决复杂流场数值模拟越来越重要,符合未来计算流体力学高性能计算的要求。     

结冰模拟软件AERO-ICE中的关键数值方法

自然积冰对于航空飞行安全造成重大隐患,飞机在穿越富含过冷水汽的云层时冰形将按一定的物理规律积聚生长。介绍了一款三维结冰数值模拟软件AERO-ICE,该软件由网格自动生成、空气流场RANS计算、水滴场欧拉方法计算、结冰热力学分析四个模块组成。在空气流场计算方面,采用SPF k-v²-ω湍流模型,该模型引入湍流非平衡特性修正,预测的带冰翼型最大升力系数和失速攻角相对SA和SST模型有显著的提高。水滴场欧拉方程由于源项较大,迭代求解时容易发散,AERO-ICE软件采用流场光顺、二阶MUSCL空间离散以及LU-SGS隐式时间推进方法改善了数值稳定性。在结冰热力学分析模块,AERO-ICE软件同时具有Messinger与Myers模型,并将Messinger模型预估的壁面温度作为Myers模型的边界条件,从而解决了Myers模型温度设置的经验性问题。AERO-ICE软件支持多块网格、多重网格加速技术与大规模并行计算,其冰形计算结果得到了初步的验证。     

E 级计算给 CFD 带来的机遇与挑战

E 级(Exascale)计算机有望在2020年前后投入使用,E 级计算将给计算科学和科学研究带来革命性的变化。计算流体力学(CFD)作为超大规模计算机应用的重要领域之一,将迎来前所未有的发展机遇,同时也将面临极其严峻的技术挑战。本文对当前国内外超大规模 CFD 计算的现状进行了概述,探讨了未来 CFD 的发展趋势,并对 E 级计算给 CFD 带来的机遇与挑战进行了分析,最后提出了适应未来 E 级计算的 CFD 发展思路与建议。为了实现 E 级计算的宏伟目标,CFD 与计算机科学、应用数学等学科的“协同设计”势在必行。我们期待本文的分析能对我国的高性能计算应用、CFD 发展有一定的启示作用。     

一种适应多DSP应用的动基座对准滤波分布式计算方法

工程实际应用受限于DSP芯片在线解算能力、器件精度的约束,无法在短时导航周期内完成大量高精度迭代运算,尤其一般的单DSP芯片无法满足系统庞大的数字处理需求和实时性要求,只能采取调整算法或者在软件上降低计算精度来让步处理,增加了系统复杂度的同时也影响了算法最终的解算精度。利用多嵌入式DSP系统同步处理高效、编程方便和应用程序容易维护的特点,配合一种多元统计的主成分分析方法,设计了分布式滤波计算方法,用于解决动基座对准运算复杂、矩阵计算量大等问题,具有较强的应用价值。     

基于网格服务的航空制造技术发展研究

先进制造技术有利于促进航空工业数字化协同制造系统的完善,它借助网格化服务促进航空产品制造的协作,跨越异构网络进行互操作,推动飞机数字化设计、制造、管理一体化技术的发展,基于各种异构平台构筑通用的服务交换设施,使信息和服务畅通无阻地在计算机之间流动。服务网格的内容分发、服务分发、电子服务、实时企业计算、分布式计算、Web服务等多项内容将有效推动航空先进制造技术的应用。     

基于多核并行计算的超燃冲压发动机一维模型实时性研究

在发动机控制系统设计中,为了缩短设计周期、降低研发成本,需要建立面向控制的、较为精确的、实时性高的超燃冲压发动机性能计算模型,以保证模型精度、提高计算速度为研究目标,基于多核高性能计算仿真平台,开展了面向控制的超燃冲压发动机一维模型实时性优化工作。运用简化计算流程、改进C语言程序、开拓缓存区等方法有效提高了一维模型计算速度。创新性地尝试了计算流体力学并行化方法,对隔离段和燃烧室一维模型进行结构分解。计算网格平衡分配至多个中央处理器,并借助核间数据通讯实现多核并行计算。与串行模型计算结果对比,七核并行计算模型性能参数偏差不超过0.1%,全工况仿真时间小于30ms,计算耗时较优化前缩短了75%以上。实时性优化后的多核并行模型计算精度高、速度快、收敛性好,可以作为超燃冲压发动机控制系统设计和半实物仿真验证平台。     

Aiming at a 1-cm Orbit for Low Earth Orbiters: Reduced-Dynamic and Kinematic Precise Orbit Determination

The computation of high-accuracy orbits is a prerequisite for the success of Low Earth Orbiter (LEO) missions such as CHAMP, GRACE and GOCE. The mission objectives of these satellites cannot be reached without computing orbits with an accuracy at the few cm level. Such a level of accuracy might be achieved with the techniques of reduced-dynamic and kinematic precise orbit determination (POD) assuming continuous Satellite-to-Satellite Tracking (SST) by the Global Positioning System (GPS). Both techniques have reached a high level of maturity and have been successfully applied to missions in the past, for example to TOPEX/POSEIDON (T/P), leading to (sub-)decimeter orbit accuracy. New LEO gravity missions are (to be) equipped with advanced GPS receivers promising to provide very high quality SST observations thereby opening the possibility for computing cm-level accuracy orbits. The computation of orbits at this accuracy level does not only require high-quality GPS receivers, but also advanced and demanding observation preprocessing and correction algorithms. Moreover, sophisticated parameter estimation schemes need to be adapted and extended to allow the computation of such orbits. Finally, reliable methods need to be employed for assessing the orbit quality and providing feedback to the different processing steps in the orbit computation process. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

Integrating system engineering software tools

System engineering projects typically involve the use of a variety of design, analysis, simulation, and management software tools that are home-grown or commercial-off-the-shelf (COTS). Very often, these applications are hosted on dissimilar computing platforms in a network environment. An application deployed on one platform may not be easily ported to another platform, and it usually cannot be readily accessed by software on the other platform. Enhancing the inter-operation among software applications or tools will greatly increase the effectiveness of the system engineering process. The middleware technology currently being developed by the computer industry promises to provide the needed software interface for integrating tools across a heterogeneous computer network. This paper discusses the experience of applying the middleware technology to software tools used in system engineering     

真空羽流场的DSMC并行数值模拟

对DSMC方法进行小喷管真空羽流数值模拟的计算软件进行了并行化改造。计算表明在多处理器(节点)上实现并行计算能够大幅度地提高运算速度,缩短运行时间,增加计算规模,计算结果与串行计算一致。并对目前串行计算不能完成的真空羽流计算的算例成功地进行了DSMC并行计算,计算结果与理论分析一致。      

Data Grids and High Energy Physics: A Melbourne Perspective

The University of Melbourne, Experimental Particle Physics group recognises that the future of computing is an important issue for the scientific community. It is in the nature of research for the questions posed to become more complex, requiring larger computing resources for each generation of experiment. As institutes and universities around the world increasingly pool their resources and work together to solve these questions, the need arises for more sophisticated computing techniques. One such technique, grid computing, is under investigation by many institutes across many disciplines and is the focus of much development in the computing community. ‘The Grid’, as it is commonly named, is heralded as the future of computing for research, education, and industry alike. This paper will introduce the basic concepts of grid technologies including the Globus toolkit and data grids as of July 2002. It will highlight the challenges faced in developing appropriate resource brokers and schedulers, and will look at the future of grids within high energy physics. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

目标光学有效反射面积计算模型研究

随着对飞行器测控要求的提高,测控应用中一些重要参数的定性估计或概略计算模型已不能满足要求。改进飞行器测控工作中目标的“光学有效反射面积”参数计算模型,根据目标有效反射面积的定义建立面元模型,在此基础上建立若干典型形状目标的计算模型以及日照约束模型,并对所建立的新模型进行了实例计算和分析,计算结果和试验数据一致。