非结构混合网格鲁棒自适应技术

数值格式、湍流模型和计算网格是影响CFD数值模拟精度的3个主要因素。结合流场信息的网格自适应技术具备动态优化计算网格的能力，被NASA列为未来CFD发展的一项关键技术。本文针对非结构混合网格，发展了网格单元分布优化、表面网格几何投影和空间网格协调匹配3项关键技术，建立了高鲁棒性几何保真的网格自适应系统。首先，为了提高自适应方法的鲁棒性和通用性，发展了基于标准面网格的多面体网格单元分布优化方法。其次，发展了仅依赖表面网格信息的局部曲面重构技术，采用参数点映射方法实现了新增表面网格点的几何投影，消除了自适应系统对几何CAD系统的依赖。再次，采用改进的距离函数方法实现了空间网格与投影后表面网格的快速匹配。最后，结合基于流场特征的自适应探测器，采用二阶格式的有限体积方法，开展了30P30N三段翼绕流和三角翼大迎角绕流的网格自适应数值模拟。结果表明，通过网格自适应对网格单元的分布进行优化后，流场求解的收敛性和模拟精度都得到了显著提高。     

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。     

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）。     

基于伴随方程的网格自适应及误差修正

基于流场方程的离散伴随优化理论和三维非结构网格,建立了网格自适应技术和目标函数误差修正方法。详细研究了用流动伴随变量进行目标函数的误差估计和修正技术,构造了适用于格心格式有限体积法的流场变量插值技术和网格单元剖分判据,初步实现了网格物面投影和空间单元优化,发展了适用于有限体积法的整套网格自适应方法。对NACA0012翼型和ONERA-M6机翼绕流进行了自适应数值模拟,并对升、阻力等目标函数进行了误差修正。数值结果表明,本文自适应方法能正确地捕捉到影响目标函数计算精度的敏感区域,网格自适应和误差修正两项技术显著提高了升、阻力等目标函数的计算精度。     

基于自适应混合网格的脱体涡模拟

基于混合网格和CGNS（CFD General Notation System）数据结构,建立了一种各向同性加密/稀疏的网格自适应方法。在悬空点的后处理中,让含有悬空点的单元转化为任意多面体,从而简化了自适应单元剖分模版,同时自适应网格单元之间可完全相容,自适应生成的网格能够直接用于可处理任意多面体的流场求解器。将该自适应方法与脱体涡模拟（DES）算法相结合,开展了65°后掠三角翼大迎角流动的数值模拟应用,并与初始网格的模拟结果进行了详细比较。对比表明：采用网格自适应方法适当增加局部网格量,能够以较小的成本迅速提高三角翼背风区的空间分辨率,增强数值模拟对小尺度涡系结构的解析能力,从而弥补了基于混合网格的脱体涡模拟中常用二阶格式计算的空间分辨率相对偏低、不利于湍流多尺度结构精细模拟的不足。     

一种三维并行自适应计算方法

基于串行网格划分软件METIS与并行化消息传递编程接口（ MPICH2）对现有串行自适应程序进行简单的并行化改造,给出了一种三维可压缩无粘流数值模拟的并行自适应方法。首先利用单个进程调用METIS,串行划分网格;然后对所有进程并行计算以获得初始网格下的流场解;再次利用单个进程对整个流场运用自适应方法进行局部网格加密并调用METIS串行划分网格;最后全部进程在流场初始解的基础上继续并行计算,以获得自适应网格下的流场解。数值模拟算例验证了此方法的可靠性与高效性。     

基于非结构网格流场超大规模并行计算

大规模并行的计算流体力学已成为现代航空工业研发的核心手段之一。基于非结构混合网格和有限体积法,发展了适用于工业级复杂外形气动计算的并行流动数值模拟方法。文中首先介绍了紧致数值离散格式、基于Metis的分布式多核系统网格分区技术、并行边界虚拟单元技术和MPI并行实现等相关算法。采用网格量相对较小的旋成体构型绕流模型对比分析多核并行计算结果与单核计算结果以验证并行计算的正确性,比较了不同并行规模下并行效率和残差收敛情况。然后通过对上亿网格单元的运输机复杂构型绕流模拟,开展并行效率的测试,结果表明,本文方法并行加速性能高,直到多达18816核并行效率都保持在80%以上。     

非结构网格多区域动态加密及分布式并行计算

针对分布式并行系统,提出一种二维非结构网格多区域动态并行策略,可在计算过程中对各计算区域的网格进行局部自适应网格加密,可在不过多消耗计算机资源的情况下,快速,有效地实现多台同构计算机上的计算网格的动态负载平衡.并针对二维Euler方程,利用已有的高精度MmB有限体积格式,应用提出的并行计算策略,进行了多个数值试验,得到令人满意的效果.     

各向异性网格自适应计算在超燃模拟中的应用

采用各向异性网格自适应求解技术,将其应用于DLR超燃冲压发动机燃烧室中的超燃模拟.开展了3个算例,包括采用滑移壁面条件的燃烧室冷流场模拟、采用无滑移壁面条件的冷流场模拟及采用无滑移壁面条件的反应流模拟.模拟中,各向异性网格自适应计算捕捉到了如激波、射流、边界层、火焰面等具有各向异性特征的大梯度区域,并利用各向异性网格进行了很好的加密.对比利用各向同性网格的初始流场计算,各向异性网格自适应计算使基于滑移条件、无滑移条件的冷流计算及反应流计算的网格单元数量分别下降了36.2%,36.4%和36.8%,有效降低了计算规模,而且流场大梯度区域的计算结果更准确,辨析度更好.结果表明:对于像超燃这类具有各向异性特征的问题,各向异性网格系统比各向同性网格系统有更好的计算效率及准确性,同时也表明基于Mach数场构造的各向异性网格系统可以有效应用于超燃计算.      

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.     

An efficient large-scale mesh deformation method based on MPI/OpenMP hybrid parallel radial basis function interpolation

An efficient MPI/OpenMP hybrid parallel Radial Basis Function (RBF) strategy for both continuous and discontinuous large-scale mesh deformation is proposed to reduce the computational cost and memory consumption. Unlike the conventional parallel methods in which all processors use the same surface displacement and implement the same operation, the present method employs different surface points sets and influence radius for each volume point movement, accompanied with efficient geometry searching strategy. The deformed surface points, also called Control Points (CPs), are stored in each processor. The displacement of spatial points is interpolated by using only 20–50 nearest control points, and the local influence radius is set to 5–20 times the maximum displacement of control points. To shorten the searching time for the nearest control point clouds, an Alternating Digital Tree (ADT) algorithm for 3D complex geometry is designed based on an iterative bisection technique. Besides, an MPI/OpenMP hybrid parallel approach is developed to reduce the memory cost in each High-Performance Computing (HPC) node for large-scale applications. Three 3D cases, including the ONERA-M6 wing and a commercial transport airplane standard model with up to 2.5 billion hybrid elements, are used to test the present mesh deformation method. The robustness and high parallel efficiency are demonstrated by a wing deflection case with a maximum bending angle of 45° and more than 80% parallel efficiency with 1024 MPI processors. In addition, the availability for both continuous and discontinuous surface deformation is verified by interpolating the projecting displacement with opposite directions surface points to the spatial points.     

基于混合网格的三维Navier-Stokes方程并行算法

提出了一种基于混合网格的三维Navier-Stokes方程的并行计算方法。Navier-Stokes的求解采用了基于面的有限体积方法,该方法适用于任何网格类型。采用一方程Spalart-Allmaras模型来计算紊流黏性。并行计算采用区域分裂的方法,利用METIS网格分区系统实现了各节点的加载平衡。节点间的数据交换通过调用MPI库函数来实现,采用非阻断通讯的方式来减少数据交换时间。充分利用FORTRAN90的动态存储特性来减少对内存的需求。最后,通过对绕DLR-F6外形(翼身组合体+挂架+发动机短舱)黏性流动的数值模拟,验证了该并行程序的准确性,高性能并行计算以及处理复杂几何外形的能力。     

网络连接机群上CFD计算的一种负载平衡方法

讨论在网络连接的分布式存储并行机群上进行CFD计算的一种负载平衡方法和相关问题。当数值计算的方法是区域分解法时,各节点机上的负载与其处理的子区域的网格节点数成正比,所以同样大小的子区域可保证负载平衡。采用负载再分配即区域再剖分的方法来达到动态负载平衡,构造了一种对多块网格(每块内为结构网格但各块间的连接关系可以是非结构的)进行近似平均分划的方法,并用一种数据结构和算法保证了剖分出的多个子区之间正确的互联和边界信息传递关系。给出了用这种剖分算法对常见多块网格进行分划的例子,并对三维流场进行了实际计算。结果证明本文方法是正确的,能有效地均衡计算负载,达到较理想的并行效率。     

基于超网格的重叠网格守恒插值方法

保证重叠网格边界数据插值的守恒性是计算流体力学面临的一大难题。基于超网格方法与格心格式有限体积法,发展了一种新型混合重叠网格守恒插值方法。详细研究了用网格切割技术在重叠网格边界构造局部超网格,用网格求交算法合理地扩大贡献单元模板,建立了一种适用于任意网格类型的隐式并行重叠网格守恒插值方法,以超网格为媒介可实现重叠网格二阶精度的守恒插值。数值结果表明,本文方法对二阶分布的流场变量具有严格的守恒性,相比三线性插值方法和逆向距离权插值方法,本文方法减小了数值误差,提高了重叠网格边界的插值精度,加快了计算收敛速度,改善了重叠区域网格尺度相差较大时流场的光滑性和连续性。     

A mesh optimization method using machine learning technique and variational mesh adaptation

Computational mesh is an important ingredient that affects the accuracy and efficiency of CFD numerical simulation. In light of the introduced large amount of computational costs for many adaptive mesh methods, moving mesh methods keep the number of nodes and topology of a mesh unchanged and do not increase CFD computational expense. As the state-of-the-art moving mesh method, the variational mesh adaptation approach has been introduced to CFD calculation. However, quickly estimating the flow fi...     

RBFs-MSA Hybrid Method for Mesh Deformation

Simulating unsteady flow phenomena involving moving boundaries is a challenging task,one key requirement of which is a reliable and fast algorithm to deform the computational mesh.Radial basis functions(RBFs) interpolation is a very simple and robust method to deform the mesh.However,the number of operations and the requirement of memory storage will be increased rapidly as the number of grid nodes increases,which limits the application of RBFs to three-dimensional(3D) moving mesh.Moving submesh approach(MSA) is an efficient method,but its robustness depends on the method used to deform the background mesh.A hybrid method which combines the benefits of MSA and RBFs interpolation,which is called RBFs-MSA,has been presented.This hybrid method is proved to be robust and efficient via several numerical examples.From the aspect of the quality of deforming meshes,this hybrid method is comparable with the RBFs interpolation;from the aspect of computing efficiency,one test case shows that RBFs-MSA is about two orders of magnitude faster than RBFs interpolation.For these benefits of RBFs-MSA,the new method is suitable for unsteady flow simulation which refers to boundaries movement.     

三维凸域中候选卫星点集的确定算法

局部网格生成是无缝有限元并行计算的关键问题,然而,不恰当的局部网格生成算法会产生不一致网格.借助Delaunay三角剖分的唯一性,指出了三维凸域中Delaunay网格局部生成的不一致性,分析其产生的原因,建立避免局部网格不一致性的关键算法--搜索候选卫星点集的优化探索球算法,为网格并行生成做好数据准备.并从理论上证明了任意节点的优化探索球域包含其所有卫星点,从而,保证全域网格没有不一致性.通过算例分析了算法的正确性和局部性.