MPI＋OpenMP算法在三维可压缩流场计算中的应用

在多核CPU集群并行体系结构下,采用MPI＋OpenMP的混合并行算法,对可压缩流场进行数值模拟,并在计算时间上与MPI算法进行比较。流场计算的控制方程为Euler方程,空间离散采用Jameson中心差分格式,时间离散采用R-K法,并行模式采用Master/Slave模式。通过对M6机翼和某弹丸采用多种并行方法进行流场的数值模拟,得出MPI＋OpenMP混合算法在一定条件下具有高效性的结论。     

叶轮机械全环非定常大规模并行模拟程序设计

为了更加精确地模拟叶轮机械内部复杂的三维非定常流动,开展了全环网格模拟方法探索,提出了针对滑移面的守恒变量插值和高效的大规模并行计算解决方案。基于千万亿次高性能计算平台,自主开发了非定常数值模拟程序,采用单级压气机、1.5级涡轮和3.5级高负荷压气机三个算例进行了程序的验证与确认,以及并行效率测试工作。模拟采用的最大网格数为2亿,计算核心数为4096个。结果表明:程序计算得到的整体气动性能与试验数据吻合良好;程序所采用的全环非定常计算模型能保证交界面处物理量的连续,削弱非物理熵增,得到更加可信的流场解;所采用的METIS的网格分区方法以及MPI并行策略使程序具有良好的负载均衡和并行效率;同时程序对超大规模的复杂问题具备良好的可扩展性和适应性,能够满足工程实际问题的流动分析和叶轮机械的精细流动研究要求。     

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。     

并行化非结构重叠网格隐式装配技术

重叠网格技术广泛应用于复杂外形及多体分离问题的数值模拟,但是超大规模重叠网格装配的鲁棒性和效率依然是实际应用中的瓶颈。基于格心型的有限体积格式,发展了一种并行化的非结构重叠网格隐式装配技术。该技术采用节点的壁面距离作为插值边界的判断准则,并通过物理边界推进确定出活跃区域。此外,基于网格分区策略实现了隐式装配技术的并行化,为了能够适应超大规模的计算网格,在每一个网格子区内单独建立用于查询的交替数字树（ADT）数据结构,整体网格点在各个子区内进行查询,并通过信息通讯接口（MPI）传递查询结果并进行逻辑判断。该并行化的非结构重叠网格隐式装配技术具有较高的自动化程度,通过多体装配算例以及机翼外挂物分离算例,证明了该方法的实用性。     

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%。     

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。     

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。     

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.     

适用于非定常流模拟的分布式并行GMRES方法

为提高计算流体力学方法的收敛性和对高性能并行计算机的适应性,发展了适用于非定常流模拟的GMRES并行全隐式方法,并开展了相应的收敛和并行特性研究。采用变子空间数GMRES方法,减小重启过程计算时间;通过分区并行和Hybrid LU-SGS预处理算子实现方法的分布式并行化;采用鲁棒的Negative-SA湍流模型获得更大CFL数,采取计算和存储雅可比矩阵、网格重排序方法提高计算效率。利用这套方法完成了平面流、NACA0012翼型扰流、翼身组合体扰流、F-16战斗机非定常气动弹性和旋翼前飞流场的数值模拟。结果表明其计算效率较LU-SGS方法提高20%～200%;适用于当代高性能计算机分布式并行结构,并行效率非常高,在240个计算核心上出现了加速比的超线性。     

用动态非结构重叠网格法模拟三维多体相对运动绕流

 发展了动态非结构重叠网格技术。本文提出了基于阵面推进的相邻单元搜索算法和适合于高阶空间离散格式的网格间插值关系定义方法，前者提高了非结构重叠网格在模拟多体间具有大幅相对运动的非定常问题时网格处理的效率，而后者保证了网格间边界附近流场求解精度；本文非定常Euler方程的求解采用有限体积法，通量计算采用Osher格式，时间积分采用双时间步长推进。为验证本文提出的方法，分别对定常M6机翼绕流和机翼下外挂物投放过程的非定常绕流进行了模拟,结果表明本文提出的方法提高了非结构重叠网格在模拟多体间具有大幅相对运动问题时的效率，保证了网格边界处的精度，具有较高的工程应用价值。     

Enhancement on parallel unstructured overset grid method for complex aerospace engineering applications

In the present study, an efficient overset grid method by means of parallel implicit hole-cutting is proposed for the sake of simulating unsteady flows in aerospace engineering involving multiple bodies in relative movement. In view of the degraded computational efficiency and robustness for conventional overset grid assembly, several innovative techniques are developed within the overset grid assembly process, viz., a bookkeeping alternative digital tree method to speed up the donor-cell search...     

柔性扑翼非定常流场的数值计算方法

提出一种将Delaunay图映射网格变形技术和非结构嵌套网格方法结合使用的策略,解决网格变形和嵌套网格单独用于柔性扑翼流场计算时需要网格再生的问题。该方法为嵌套网格中的每个嵌于背景网格的贴体非结构网格生成Delaunay背景图;每个时间步,根据扑翼的运动和变形规律移动背景图,再根据网格点和背景图的映射关系移动网格点,之后自动完成嵌套边界的定义和插值关系的建立。为方便嵌套关系的建立,嵌套网格进行分层管理。也研究了一种内存消耗少、效率较高的搜索算法,以及格心格式和格点格式统一的边界拓宽算法。非定常可压缩Navier-Stokes方程在非结构的动态网格上用有限体积法离散,并用预处理的双时间步推进、隐式LU-SGS迭代求解。几个扑翼算例的结果表明,该方法充分利用了Delaunay图映射网格变形方法的高效率,同时也发挥了嵌套网格处理大幅运动的优势;用于既有整体大幅扑动又有局部小变形的柔性扑翼流场计算,可取得令人满意的精度和效率。     

旋翼/机身干扰非定常流场数值模拟(英文)

基于非结构动态嵌套网格方法对直升机旋翼/机身干扰非定常流场进行了三维Euler方程数值模拟。嵌套网格系统由包含旋翼的运动区网格和包含机身的静止区网格组成,两区网格均来自于同一套初始的整体非结构网格,人工边界以及初始的插值贡献单元对应关系在网格分区时同时确定。在非定常计算中两区网格始终存在一定的重叠区域,无需重新建立人工边界。高效的贡献单元搜索算法可以根据初始的插值贡献单元对应关系很快更新每一个真实时间步上的贡献单元对应关系。为了准确计入旋翼桨叶的挥舞和变距变形,在运动区网格中引入线性弹簧方法。采用非定常Euler方程和双时间推进方法模拟了美国佐治亚理工学院旋翼/机身干扰实验外形非定常流场,计算结果与实验值以及文献的计算值相吻合。     

分层嵌套重叠网格自适应树结构动态组装方法

采用重叠网格可以有效地进行复杂流动的大规模数值模拟,特别是包含运动部件(如旋翼、投弹)的动态模拟。本文将树结构的自适应直角网格用于重叠网格组装过程中的切割和贡献单元的搜索,大大加快重叠网格的组装速度。通过二叉树自适应直角网格对物体外形进行离散,实现切割过程的快速定位;采用八叉树自适应直角网格对流场区域进行离散,高效地搜索贡献单元。使用基于壁面距离准则的重叠区域最小化方法和分层嵌套重叠策略,能提高重叠网格组装的效率和质量。对于具有运动部件的动态重叠网格问题,采用多个二/八叉树减少组装过程中信息更新的冗余计算,从而大幅度减少重叠网格组装的时间消耗。实际算例的重叠网格组装结果说明本文发展的重叠网格组装方法具有很高的计算效率,可以满足运动边界复杂流动问题的动态计算要求。     

基于隐式嵌套重叠网格技术的阻力预测

 采用一种多层多块隐式嵌套重叠网格技术,对美国国家航空航天局通用化研究模型(NASA-CRM)翼身平尾(WBT)组合体进行了数值模拟与分析。多层多块隐式嵌套重叠网格技术是结合多层多块嵌套重叠网格处理策略和隐式切割方法,在建立重叠网格之间的流场信息传递关系时,基于网格单元切割准则选择"最优"重叠单元而无需人工设定插值边界。对美国AIAA委员会召开的第4届阻力预测研讨会(DPW-4)提供的CRM WBT组合体生成4种不同密度的结构化多层多块嵌套重叠网格,并采用计算流体力学(CFD)方法进行数值计算和阻力预测,计算结果与CFL3D和OVERFLOW的结果进行了对比。数值模拟结果表明:计算得到的压力分布和极曲线与CFL3D和OVERFLOW的结果几乎相同,说明了隐式嵌套重叠网格技术的有效性,同时也验证了流场求解方法与程序的可靠性。当迎角增大到3°左右时,在机身与机翼、尾翼连接处出现明显的分离涡,影响CRM WBT组合体的气动特性。在阻力预测方面,增加网格密度能够提高阻力预测的精度。采用不同的湍流模型会导致升、阻力系数的计算结果存在一定的差异,因此,湍流模型的选择也是阻力预测需要考虑的因素。     

基于非结构动网格的非定常流数值模拟方法

给出了基于非结构动网格的非定常流动问题的数值模拟方法,重点说明两种动态非结构网格方法的原理以及在非定常流模拟中的算法.一种是基于非结构网格的重叠网格方法,该方法结合了非结构网格方法和重叠网格方法的优点,以物面距为准则参数对网格节点进行分类,进而建立重叠网格的网格问插值关系,通过采用动态非结构重叠网格算法,可以处理多体间...     

Robust Navier-Stokes method for predicting unsteady flowfield and aerodynamic characteristics of helicopter rotor

A robust unsteady rotor flowfield solver CLORNS code is established to predict the complex unsteady aerodynamic characteristics of rotor flowfield. In order to handle the difficult problem about grid generation around rotor with complex aerodynamic shape in this CFD code,a parameterized grid generated method is established, and the moving-embedded grids are constructed by several proposed universal methods. In this work, the unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) equations with Spalart-Allmaras are selected as the governing equations to predict the unsteady flowfield of helicopter rotor. The discretization of convective fluxes is accomplished by employing the second-order central difference scheme, third-order MUSCL-Roe scheme, and fifth-order WENO-Roe scheme. Aimed at simulating the unsteady aerodynamic characteristics of helicopter rotor, the dual-time scheme with implicit LU-SGS scheme is employed to accomplish the temporal discretization. In order to improve the computational efficiency of holecells and donor elements searching of the moving-embedded grid technology, the ‘‘disturbance diffraction method" and ‘‘minimum distance scheme of donor elements method" are established in this work. To improve the computational efficiency, Message Passing Interface(MPI) parallel method based on subdivision of grid, local preconditioning method and Full Approximation Storage(FAS) multi-grid method are combined in this code. By comparison of the numerical results simulated by CLORNS code with test data, it is illustrated that the present code could simulate the aerodynamic loads and aerodynamic noise characteristics of helicopter rotor accurately.     

基于非结构重叠网格的二维外挂物投放模拟

本文发展了基于非结构重叠网格的动态网格技术,并提出了新的相邻单元搜索算法。非结构重叠网格集非结构网格和重叠网格的优点于一身,适合处理复杂外形和多体相对运动问题。新的相邻单元搜索算法在碰到物面时能继续搜索下去,搜索效率大大提高。非定常Euler方程的求解,采用有限体积法,时间上采用双时间步长推进。为验证算法的有效性,先对绕振荡NACA0012翼形的流动进行了模拟;然后通过耦合求解刚体三自由度运动方程,模拟了二维外挂物投放过程,结果表明非结构重叠网格在处理多体相对问题时具有优越性。