电推进粒子模拟中并行化方法研究综述

电推进装置的粒子模拟手段由于其第一性强、物理假设少的特点，可以很好地保留推力器的各种非线性物理过程性质，但计算负担极大，并行计算是一种有效方法计算时间的方法。本文总结了国内外研究现状；分析了粒子算法中并行计算的计算机实现，对并行计算的基础进行了介绍；针对并行计算中的关键技术问题，即粒子部分的并行算法设计、电磁场求解的并行算法设计和计算负载均衡问题进行了概述；最后对电推进装置中并行计算方法进行了总结和展望。     

姿控发动机喷管内流场的DSMC并行算法

在分析了直接仿真Monte-carlo（DSMC）方法内在并行度的基础上，针对工作站群机并行系统（NOWS）分布主存的特点，构造了适合于DSMC仿的并行算法模型，在PVM环境下将其应用于姿控发动机喷管内流场的DSMC仿真，结合并行算法效率评价准则对如何提高并行计算效率进行研究。仿结果表明了实施DSMC并行计算的必要性与有效性。     

转子系统瞬态响应计算的精细迭代积分方法

提出了计算转子系统瞬态响应的精细迭代积分方法。采用精细积分法计算状态转移矩阵,可以得到齐次方程的精确解;结合轴承所提供的油膜力的特点,提出一种隐式积分法,允许使用较大的步长,并对各矩阵及向量适当分块,使非线形方程组的维数大为减小。此方法无条件稳定,可以保证较高的精度与效率。     

多块并行计算中负载平衡策略及时间成本估算方法

研究了三维Euler方程的全隐式无分裂方法的多块分布式并行算法.为提高并行效率,给出了一种负载平衡方法,负载平衡前后的墙上时间、并行效率的比较验证了该方法的有效性.针对研究所用的大型并行机特性,基于最小二乘原理,给出了一种估算计算时间成本和通讯时间成本的方法,并行算法的并行性能统计表明该估算方法的有效性及合理性.不同流场的数值模拟表明,多处理器并行计算得到的数值结果能够和单处理器上的串行结果保持一致.     

战术导弹绕流流场并行计算

本文采用求解NS方程的方法对战术导弹的流场进行了数值模拟.应用区域分割技术和拼接网格的并行策略,发展了一种适合于分布式存贮并行环境的隐式有限体积并行算法,在PVM并行环境下,对战术导弹绕流流场实现了单块网格多机并行计算和多块网格多机并行计算,通过负载平衡等方法得到了较高的加速比.计算结果表明并行计算结果与串行计算结果完全一致.     

变速转子瞬时不平衡响应的精细算法

针对变速转子瞬时不平衡响应计算积分精度不足的问题,基于传递矩阵法建立了考虑反对称陀螺力矩的变速转子瞬时不平衡响应线性运动微分方程,推导了适用于线性非定常系统的精细积分法,并通过仿真计算与Newmark-β法比较了变速转子模型下的积分计算效率和动力响应参数的瞬时不平衡识别精度。结果表明两种算法均具有较高的积分精度和计算效率,但是随着转速的增加,Newmark-β法的误差逐渐增大,而精细算法得到的瞬时不平衡响应信息与理论值保持一致。平衡效果显示了精细积分法能准确识别初始不平衡量,提高平衡精度。此外,通过真实不平衡转子在噪声影响下的试验结果进行了验证,发现升速过程中仿真结果与实际响应结果基本吻合。     

Linux环境下MPI并行编程与算法实现研究

并行计算实现求解一些复杂的问题,并行编程技术的进步使得并行计算逐步应用到很多领域。MPI是一种消息传递编程模型并可以被广泛使用的编写消息传递程序的标准,已扩展为一种优秀的并行程序设计语言。该文简要介绍了有关并行编程的基本概念与方法,深入讨论了MPI并行编程环境与并行编程模式,对MPI并行性进行了分析,给出了Linux环境下MPI编程环境的配置方法,最后结合一个实例详细描述了用MPI实现并行算法的方法。通过对实验程序的结果分析,在Linux机群环境下用MPI实现复杂的并行算法是简单的,并且能取得较好的性能。     

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.     

一种DSMC方法的并行策略

为提高直接模拟蒙特卡罗（DSMC）仿真模拟的并行计算效率,基于消息传递接口（MPI）的并行环境,通过对比分析主从模式及对等模式两种程序设计模式下的并行效率,探讨了对等模式下非结构网格DSMC并行程序实现的关键技术及实施途径。提出了一种非结构网格下动态负载平衡DSMC仿真模拟的并行策略,设计了基于对等模式动态负载平衡的DSMC并行算法。最后以钝锥外形的高超声速绕流问题进行仿真模拟,验证本文并行算法的有效性,结果表明,本文设计的基于对等模式动态负载平衡的DSMC并行算法能够以高效的并行效率给出合理的结果。     

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。     

Adaptive mesh refinement computation of acoustic radiation from an engine intake

A block-structured adaptive mesh refinement (AMR) method was applied to the computational problem of acoustic radiation from an aeroengine intake. The aim is to improve the computational and storage efficiency in aeroengine noise prediction through reduction of computational cells. A parallel implementation of the adaptive mesh refinement algorithm was achieved using message passing interface. It combined a range of 2nd- and 4th-order spatial stencils, a 4th-order low-dissipation and low-dispersion Runge–Kutta scheme for time integration and several different interpolation methods. Both the parallel AMR algorithms and numerical issues were introduced briefly in this work. To solve the problem of acoustic radiation from an aeroengine intake, the code was extended to support body-fitted grid structures. The problem of acoustic radiation was solved with linearised Euler equations. The AMR results were compared with the previous results computed on a uniformly fine mesh to demonstrate the accuracy and the efficiency of the current AMR strategy. As the computational load of the whole adaptively refined mesh has to be balanced between nodes on-line, the parallel performance of the existing code deteriorates along with the increase of processors due to the expensive inter-nodes memory communication costs. The potential solution was suggested in the end.     

喷管跨声速流场计算

本文用时间相关法求解定常跨声速喷管流场。对守恒型和非守恒型方程采用全场统一时间步长、当地时间步长和修正超阻尼法进行了计算。计算表明:采用当地时间步长可大大提高收敛速度,采用全场统一时间步长时,数值解非守恒型方程收敛较快;采用修正超阻尼法也能提高收敛速度,但与阻尼系数和时间间隔有关。     

基于并行关系与因果关系的关联规则

目的是建立同时具备并行关系、时序关系和因果关系等三个关系新前提下的数据挖掘的关联规则.本文指出了初始关联规则存在的三个潜在的前提;探讨了同时背离这三个潜在前提建立新的关联规则的可行性;给出了建立两并行关联事件之间因果关联规则的方法;从而获得了在新的背景下的关联规则.在此基础上,本文提供了联系并行关联的因果关系的范例,作为在具有并行、时序和因果等复杂关系数据库中的综合挖掘的一个途径.     

确定时间序列均值和方差函数的移动多点平均方法

为了提高有限样本或小样本情况下时间序列均值和方差函数的确定精度,以保证时序建模、分析和预测精度,提出一种确定序列趋势项的移动多点平均方法.该方法能够得到时间序列均值中非周期部分,结合样本周期图法得到的周期项,可综合得到其均值函数,并可进一步得到时序的标准差函数.Monte Carlo模拟对比结果表明:该方法不仅能够保证时间序列段内分析精度,而且能够有效提高时间序列的预报精度.      

跟踪问题最优控制律精细积分

构成有限时间最优跟踪系统的控制律需要求解 Riccati微分方程及外部控制输入向量满足的微分方程 ,前者是非线性矩阵微分方程 ,后者是变系数线性微分方程。在结构力学与最优控制的模拟理论基础上所发展的精细积分方法借鉴了计算结构力学中的算法 ,可以精确有效地求解这些微分方程。这种方法的特点之一在于步长幅度变化较大时 ,Riccati微分方程的数值解仍可以保持很高的精度 ,并且变系数线性微分方程的求解亦可纳入其体系而不必用通常的差分方法。本文介绍了用精细积分方法求解这些方程的过程 ,并给出了数值算例。     

星际小推力转移轨道快速设计方法

 针对星际探测任务中燃料最省小推力转移轨道问题，提出一种基于标称轨道的快速设计方法。首先以具有相同端点时刻的无摄动标称轨道为参考，对传统的非线性轨道优化模型进行合理变换，将复杂的优化问题简化为可解的两点边值问题；然后基于标称轨道3个独立积分推导出解析的状态转移矩阵，并以此为基础导出了两点边值问题的最优解析解。该方法无需数值迭代，有效地克服了数值优化方法收敛性差、计算效率低的缺点。最后，以探测火星的小推力转移轨道为例对该方法进行了验证，与精确的数值结果相比，该方法计算的燃料消耗误差小于1%。     

旋翼桨尖形状对噪声影响量级的研究

在求解直升机旋翼流场的基础上,预测了旋翼悬停状态下的高速冲击远场噪声,并且针对不同桨尖形状所引起的气动噪声量级作了对比计算,分析了噪声产生机理,并提出了有利于降噪的方法,体现出旋翼CFD技术与Kirchhoff方法相结合的良好应用前景。     

敷设黏弹性阻尼层的复合材料结构非平稳随机振动分析

提出了对敷设黏弹性阻尼层的复合材料层合结构非平稳随机振动分析的高效精确算法.考虑了黏弹性阻尼材料对激振频率的依赖性及Adams提出的复合材料层合结构的阻尼模型.为解决依赖频率变化的非经典阻尼的复杂结构,结合实模态降阶直接解法对虚拟激励法做了相应的发展,并采用精细积分法高效精确地求解了随机振动方程.以国产有限元程序系统DDJ为平台开发了相应的程序,并对某飞机的水平尾翼的复合材料安定面结构进行模拟研究,从复杂的计算及合理的结论可以看出,本文中所提出的方法对于这类十分复杂复合材料结构在航空领域的非平稳随机振动分析十分有效.     

一种无条件稳定的时域推进法与有限元混合分析瞬态热传导问题

本文将一种新的无条件稳定的时域推进法与有限元结合,用于分析瞬态热传导问题。根据微-积分型热传导控制方程,对时间变量在小区闻内插值积分,变初-边值问题为一系列离散时刻的边界值问题,再应用有限元法求解之。由于推进中的每一时刻的解,都严格满足原给定的初始条件,就消除了累积误差的影响。此外,这种时域推进法对时间变量的数值积分也优于数值微分。因而,与现行的基于微分型控制方程,采用时-空有限元模型同时离散,再逐步求解的直接积分算法相比,计算精度可大大提高。不难预料,当求解较长时间后的瞬态值时,本算法的优越性会更加明显。     

一种适用于三维混合网格的GMRES加速收敛新方法

为提高流场计算收敛效率,发展了一套适用于三维混合网格Naiver-Stokes方程求解的并行广义最小残差（GMRES）隐式时间推进方法。该方法由科学计算可移植扩展工具包（PETSc）中的Krylov子空间求解器实现,线性方程系统中的系数矩阵直接以显式给出以提高算法的稳定性。为进一步提高GMRES方法的收敛速度,对非结构网格的序号进行了重排序,使得系数矩阵的非零元素尽量向主对角线靠近。利用所发展的GMRES方法,完成了对ONERA-M6机翼、AIAA阻力预测会议通用研究模型（CRM）等算例的计算,计算结果与试验结果吻合良好。通过与其他隐式推进方法进行比较,对算法的收敛特性进行了研究。结果表明,所发展的GMRES方法计算更加稳定,残差下降速度相对LU-SGS（Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel）方法更快,尤其是气动力系数向着收敛解逼近的速度更加明显,提高了计算效率。