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）。     

主动光频标的研究进展

传统被动光钟激光锁频系统的频率稳定度最终受限于由布朗运动导致的腔长热噪声，是目前光频标发展面临的主要技术瓶颈之一。主动式新型光频标利用光学谐振腔的弱反馈在原子跃迁能级间形成多原子相干受激辐射，该受激辐射输出信号可直接作为钟跃迁信号使用，相比于被动光钟，主动光中原理上可实现更窄的量子极限线宽，并具有腔牵引抑制优势。分别介绍了国内外在主动光频标研究现状，主要介绍北京大学在该研究方向取得的理论及实验研究进展。为了实现窄线宽连续型主动光频标，提出双波长好坏腔方案减小剩余腔牵引效应对四能级主动光钟的影响，其中Nd:YAG 1 064nm好腔激光和铯原子1 470nm坏腔激光共腔输出，分别工作在好、坏腔区域，好腔激光通过Pound-Drever-Hall(PDH)稳频技术锁定主动光钟谐振腔的腔长，由于坏腔激光相比于好腔激光具有腔牵引抑制优势，因此坏腔激光线宽有望在腔长锁定之后的好腔激光的基础上进一步压窄。目前两套双波长系统的1 470nm钟激光拍频线宽受限于两个谐振腔腔长的相对抖动，为了抑制共模噪声对钟激光拍频信号的影响，并验证采用PDH稳频技术实现腔长锁定的可行性，本文利用相位锁定技术同步两套双波长好坏腔系统的谐振腔腔长，从而消除腔长共模噪声对钟激光拍频线宽的影响，进而分析除剩余腔牵引效应以外的其他因素对1 470nm主动光频标的影响。     

非结构网格技术应用于固体火箭发动机内流场数值模拟

从二维欧拉方程出发，采用非结构网格技术对固体火箭发动机内流场进行数值模拟，研究了点火初期、燃烧过程中和燃烧结束时固体火箭发动机燃烧室不规则物理区域内形成的复杂流动，分析了流场结构及特性，并对在这一领域应用非结构网格技术存在的问题进行分析。     

用基于混合网格的多重网格法数值模拟绕物体的紊流流动

本文在混合网格基础上用多重网格法求解了紊流N-S方程。混合网格是由在物面附近采用的柱状网格与其他区域则采用的非结构网格组成。方程的求解采用Jamson的有限体积法，紊流模型采用两层Baldwin-Lomax代数紊流模型。用多重网格法来加速解的收敛。数值算例表明，用混合网格及多重网格法来求解紊流Navier-Stokes是非常有效的。     

基于非结构自适应网格和嵌入边界法的残差格式研究

嵌入边界法由于在求解NS方程时能够简化网格生成问题而在计算流体领域受到越来越广泛的关注.简言之,嵌入边界法能够简化大变形和运动条件下多物理流动模拟、流固相互作用耦合问题,然而壁面边界条件的精确处理仍旧是该方法需要解决的问题.在本文工作中,为考虑壁面边界条件而在NS方程中增加了补偿项,同时采用非结构网格自适应技术保持了壁面边界条件的精度.     

用混合网格模拟绕X-38粘性流动

采用混合网格，利用DLR所发展的计算软件TAU对X-38高超声速粘性绕流进行了数值计算，网格自适应技术被用来生成有效的计算网格及提高对流场细节的分辨率。计算结果与现有的实验结果和用结构网格得到的结果吻合很好。     

格栅下游湍流特性的研究

用恒温热线风速仪在激波管中（来流条件Ｔｏ＝２９０－３１５Ｋ，Ｕ∞＝２０－６０ｍ／ｓ）测量了四种形状不同的格栅下游湍流特性。结果表明：在相同条件下，圆柱形格栅能产生较大的湍流度，其下游端流度随距离增加而减小，随来流雷诺数增加而增加。     

SOLUTION OF 3-D TURBULENCE NAVIER-STOKES EQUATIONS USING HYBRID GRIDS

INTRODUCTIONWith the development of computer,consid-erable process has been made in the developmentof numerical methods for the solution of Navier-Stokes equations.However,most of these me-thods are impractical for complicated flows in adesign environment.The primary reason is thatwe can′t generate a suitable mesh easily for acomplicated configuration.Although there aremany techniques,such as structured grid or un-structured grid,which have been successfullyused for numerical simulation…     

用运动嵌套网格方法数值模拟旋翼前飞非定常流场

通过求解Ｅｕｌｅｒ方程数值模拟了直升机旋翼前飞非定常流场。为了模拟包括旋转、周期性变距和周期性挥舞的非定常运动,本文采用了一种能够快速完成重叠网格间流场信息交换的运动嵌套网格方法。空间采用中心平均的有限体积法进行离散,时间方向采用双时间法隐式推进求解。为了验证方法的正确性,数值模拟了悬停流场,数值结果和实验值吻合很好。尽管前飞状态的计算没有实验验证,但计算结果与其它文献计算结果吻合很好。     

迎风格式在二维非结构网格中的应用

将原来在结构网格中提出的AUSM⁺(Advection Upstream Splitting Method)格式,推广应用于二维非结构网格中.利用格林-高斯公式对控制体内的变量进行线性重构,获得空间二阶精度,并采用Barth型限制器以抑制数值解的振荡.为提高计算效率,采用了自适应多重网格法.最后给出了NACA0012翼型和平板激波反射的几个Euler方程的算例,并进行了分析比较.