格子玻尔兹曼和气体动理学通量算法及其应用进展

采用守恒律方程求解流体流动问题时,单元界面通量的计算尤为关键,该过程也被称为通量重构。由于离散控制方程的物理量定义在解点上,如何利用解点上的值来计算单元界面的通量,是计算流体力学最为关心的问题之一。针对该问题的研究已发展了各式各样的计算格式,例如完全基于数学重构的差分近似、基于部分物理重构的黎曼通量求解器以及近年发展起来的基于完全物理重构的气体动理学格式、格子Boltzmann通量算法和气体动理学通量算法。本文首先对几种典型的通量重构算法进展进行回顾和分析;然后着重介绍格子玻尔兹曼通量算法和气体动理学通量算法的研究进展及其相关应用;最后就该类算法存在的挑战和可能的研究方向进行展望。     

Stiffened状态方程下γ-model方法跟踪二维多介质流动

在Stiffened状态方程下，运用Level—set方程跟踪界面运动变化，把界面捕捉的等效方程、Level-set函数和欧拉方程组耦合，求解包含比热比和材料参数的耦合形式的流体力学方程组。计算方法采用二阶精度Wave-propagation算法，通过对气体-液体两种流体的一维Riemann问题、激波和气泡相互作用以及气液两种流体Richtmyer—Meshkov界面不稳定性问题进行数值模拟，抑制了不同介质界面两侧的非物理振荡。     

运动激波与气泡串相互作用的多介质数值模拟

通过对激波和流体界面相互作用而诱导的大变形界面演化的数值模拟,验证了Level set 方法精确模拟多个流体界面的有效性.采用间断有限元Galerkin方法求解欧拉方程得到流场解,采用5阶WENO格式求解Level set方程追踪多流体界面,界面附近的边界条件由虚拟流体方法处理.对运动激波和两个气泡相互作用过程进行了数值模拟,得到了不同时刻的压力和密度等值线分布,并分析了计算域中两个气泡同是氦气泡,以及一个是氦气泡,一个是R22气泡情况下的计算结果.计算结果表明:利用多界面Level set方程可高质量地捕捉多个流体界面,处理3种多介质流场数值模拟问题.     

求解大规模矩阵问题的Krylov子空间方法

求解大规模矩阵问题包括线性方程组和特征值问题等是计算数学和科学工程计算中的重大课题，最近几年，其研究工作取得了许多重大进展。文中给出大型线性方程组和特征值问题Krylov子空间方法若干进展的一个概述，其中包括作者对这些问题的研究成果。涉及的专题包括求解大型线性方程组的共轭梯度法、SYMMLQ算法、MINRES算法、GMRES算法、Lanczos双正交化算法、QMR算法以及这些算法的块格式；求解大对称特征值问题的Lanczos算法和块Lqnczos算法；求解大型非对称特征问题的Lanczos算法、Arnodi算法以及这些算法的推广。讨论求解大规模矩阵问题的加速技术和预处理技术。了一些有待进一步研究的问题。     

基于多GPU的大型线性和非线性方程组的求解(英文)

在处理工程问题时,常常需要对线性或非线性方程组进行求解。对于实际应用中经常遇到的大型方程组进行求解则需要相当长的时间。使用图形处理器(GPU)代替传统的CPU,将多块GPU通过操作系统进行协调,并将PBi-CGstab方法和Inexact Newton方法进行适合多GPU并行的改造以此作为多GPU求解器的核心算法,加速求解大型线性和非线性方程组。本文的多GPU求解器在成倍扩展了单GPU求解器允许的计算规模的同时取得了令人满意的加速比。     

一种充分局部化的子结构并行分析方法

机群系统是一种低成本的松散耦合型分布式并行平台,它要求并行算法设计时遵循"分而治之"的原则,尽量降低节点任务之间的相关性。本文在FETI方法和A-FETI方法的基础上,直接从力学概念出发,提出了一种充分局部化的FETI方法。该方法在进行子域界面处理时引入三重变量:界面节点位移、界面节点力、分区框架上耦合节点位移,由此得到一组近似解耦的界面方程,使得各个子域的计算相对于经典的FETI算法更加独立。对得到的界面方程采用预处理共轭投影梯度法(PCPG)并行求解,所采用的预处理算子为局部化的集中型Dirichlet算子。分别在自建的两套4节点PC机群上进行了两组算例的验算,结果表明,本文方法具有很好的计算精度和收敛速度。并行加速比达到3.76。     

Krylov子空间算法研究

Krylov子空间技术是基于投影方法的规划算法,如今已成为一类求解大规模线性问题的优秀算法,该算法采用正投影或斜投影在子空间产生迭代向量进行计算。同时,正确有效的预处理方法能加快迭代收敛。本文介绍了如何利用基于LU分解的GMRES(Generalized M in imum Residual)方法来求解大规模线性优化问题。     

圆柱尾流与游鱼间相互作用的数值计算研究

为了预测鱼类游泳问题的流动演变,开发了一种基于浸入边界格子玻尔兹曼方法的流动求解器.采用基于隐式边界力校正框架的灵活迭代算法降低计算成本和内存.在确定边界节点的速度修正后动量力由简单的直接力公式描述,无需复杂的积分计算.使用所提出的流动求解器,分析了鱼引起的动态失速涡与非定常流动中的传入涡之间的流体动力学相互作用.数值...     

离散速度方法及其在跨流域问题中的应用研究进展

往返大气层跨流域飞行器的气动力和气动热计算一直是当前流体力学研究的难点和热点之一。由于该类飞行器面临的流动场景不再是单一的连续流或稀薄流,采用Navier-Stokes方程求解器或DSMC方法均不能获得全流域的准确结果。近年来,以不依赖于连续性假设的Boltzmann模型方程为基础,通过在位置空间和速度空间同时离散求解该方程,实现了跨流域问题的统一求解。本文对该类算法的研究进展进行回顾和分析,着重介绍气体动理论统一算法（Gas kinetic unified algorithm, GKUA）、统一气体动理学格式（Unified gas kinetic scheme, UGKS）和改进离散速度方法（Improved discrete velocity method, IDVM）3种数值途径,分析它们的基本假设和实现方式,关注它们目前取得的进展和应用情况。同时,本文还将IDVM进一步扩展到非定常情形,以便用于非定常跨流域问题求解。最后,本文对该类算法存在的一些问题进行讨论,期望在后续的研究中能予以解决。     

求解含多个右端向量非对称线性方程组的自适应块拟最小残量IOM(q)算法

许多实际应用问题需要求解含多个右端向量的大型非对称线性方程组 ,通常是把原来方程组分成单独几个含一个右端向量的方程组 ,再用某种迭代法分别单个求解 ,而更加经济有效的方法是应用能同时产生几个迭代向量的块迭代法来直接求解。本文在 IOM(q)算法的基础上 ,提出一种求解此类方程组的块拟最小残量 IOM(q)算法 ,讨论了如何收缩掉已收敛的部分方程组以及如何从产生的块 Krylov序列中删除线性相关或几乎线性相关向量的自适应技术。数值试验表明 ,此新的自适应块算法比块 GMRES算法及其他相关算法具有更好的收敛行为、更少的计算量和 CPU计算时间 ,是求解此类方程组的一种更加经济有效的算法。     

最速下降神经网络算法求解广义绝对值方程

广义绝对值方程式是一个不可微的方程,解决绝对值方程的算法有很多,但这些方法基本上属于传统的迭代法,由于它们的计算时间极大地依赖于问题的规模、维数以及所使用的算法,因此很难满足实时并行的要求。论文通过两种光滑近似方法,将广义绝对值方程转化为一个可微的无约束优化问题,建立起最速下降神经网络模型对其进行求解并证明了神经网络的稳定性以及神经网络的平衡态是绝对值方程的解。论文最后比较采用不同光滑函数去近似绝对值方程时,用最速下降神经网络求解广义绝对值方程的时间、迭代步数以及解的误差。最后用试验证明该方法的正确性及有效性。     

冲压成形模拟中有限元方程组求解算法

提出采用选代法取代自主开发系统Quick-Form中的直接法,提高了计算效率.在"广义相邻节点"以及"节点的广义相邻关系"两个概念的基础上研究了整体刚度矩阵的生成原理以及其中非零子矩阵的分布规律.提出了一种适合迭代算法的改进一雏变带宽压缩存储方法,最大程度上节约了内存,而且避免了节点编号的优化难题.最后.通过数值计算实例验证了该算法在求解大型有限元模型时不仅具有较高的计算效率,而且能够节省大量存储空间.     

HLLC方法在三维非结构网格上的应用

以三维非结构网格的显式有限体积法为基础，采用格心方法以及基于近似黎曼解的二阶精度Godonov扩展方法求解三维Euler方程，使用HLLC(Harten，Lax，van Leer,Contact)近似黎曼解的方法计算网格单元边界处的守恒量通量。为了验证方法的可行性，利用三维解算器对NACA0012翼型绕流进行了数值计算，结果令人满意。在此基础上对某型弹的流场进行了数值模拟，取得了比较好的结果。     

基于Java的数据结构算法演示系统

本文介绍了基于Java Applet实现数据结构课程中算法动态演示的总体设计。详细描述了主界面的设计和算法演示界面的设计,并以迷宫求解算法的为例,介绍了算法动态演示的详细设计过程。     

改进的粒子群算法求解背包问题

本文提出了改进的粒子群算法求解背包问题,阐明了该算法求解背包问题的具体实现过程。通过与其他文献中实例的计算结果比较,表明该算法切实可行,有较高的搜索效率。     

基于Voronoi cell的RNN_k近似查询与计算(英文)

在空间数据索引与查询研究领域中,反向k最近邻(RNNk)问题作为反向最近邻问题的泛化扩展近来受到更多关注.所谓RNNk查询就是找到所有以给定查询点为k个最近邻之一的对象点.为了有效地进行RNNk查询,利用分级的Voronoi cell和空间区域划分方法对查询结果进行有效过滤,避免了过多次最近邻查找计算.在初步得到的RNNk结果中,有针对性地分别利用平行于分割线的扫描线和局部扩展的查询区域Q进一步限定了RNN候选点.近似最小平均距离(AMAD)计算则可由近似的RNNk查询结果得到且不受k取值限制.实验结果表明了在3种不同数据分布情况下,本文算法与近似方法的效率和有效性.因此,通过充分利用对数据的过滤与查询空间修剪的近似方法,得到了具有较高查全率和准确率的近似查询和计算.     

一种新PSO混合算法在直升机配平中的应用

直升机配平计算是动力学分析的基础,其实质是求解高维复杂的非线性方程组。针对经典算法与智能算法的特点与不足,提出了一种求解非线性方程组的新粒子群方法。在粒子群(Particle swarm optimization, PSO)算法的基础上,根据模拟退火(Simulated annealing, SA)思想,引入了嵌入式LM (Levenberg-marquardt)优化 算子。该方法充分发挥了3种算法的优势,克服了LM算法初值敏感性,PSO算法易陷入局部极值等问题。通过UH-60A直升机实例配平计算,验证了本文算例模型的准确性。在此基础 上,针对某一前飞状态下的配平算例,在收敛可靠性和计算效率上通过与其他算法进行对比,表明该算法具有可靠的收敛性和较高的计算效率,进一步验证了该算法在配平问题上的可信度与实用性,为直升机飞行动力学问题的处理提供了一种新的有效方法。     

一类二阶守恒单调重映算法

在大变形流体力学问题的数值模拟中，经常会涉及到计算网格的重分。基于不同网格的物理量传递便是所谓的重映技术。重映算法是任意拉格朗日一欧拉方法的重要组成部分，本文描述了一类适用于任意网格的二阶守恒单调重映算法。该算法分为网格内物理量的多项式重构、近似积分计算、物理量的单调修正三个部分。本文采用了最小二乘法的思想构造了网格内物理量的梯度，并且通过对物理量的单调修正，保证了算法的精度和单调性。该算法计算公共表面上的网格间质量的改变，所以可以在任意网格上使用。通过一系列数值算例验证了该算法，并说明本文给出的算法是有效可行的。     

多流体碰撞复杂界面的界面追踪法计算

为实现对复杂运动界面的精确描述,本文对多流体碰撞复杂界面问题进行了深入的研究.以欧拉方程的黎曼解为基础,采用MUSCL格式,在现有的FronTier软件包中加入了新的函数和变量,以达到完成复杂界面的计算.FronTier软件包是基于界面追踪方法编写的,可以完成界面不稳定性问题在简单界面情况下的计算.文中的方法成功实现了多流体碰撞复杂界面的计算,计算结果与实际碰撞过程相符.     

一种使用BP神经网络加速的蒙特卡洛拉格朗日水滴求解器（英文）

结冰可能威胁飞行安全。拉格朗日方法被广泛应用于求解结冰过程中的水收集系数,但是其发展受到鲁棒性问题和高计算成本限制。为了弥补拉格朗日方法的缺陷,使用蒙特卡洛积分法和反向传播(Backpropagation, BP)神经网络分别用于解决鲁棒性问题和降低计算成本。基于蒙特卡洛方法的拉格朗日求解器可实现对任意模型或计算条件的无条件稳定。构建了BP神经网络用于预测水滴撞击概率,通过筛除非撞击水滴减少计算量。BP神经网络不针对特定模型提前训练,使用异步并行策略使BP神经网络训练和水滴运动同时求解,建立了广泛适用的异步拉格朗日求解器。使用GLC-305后掠三维翼型和某型发动机短舱模型对求解器进行验证,结果显示BP神经网络可以有效提升计算效率,对比没有神经网络辅助最多节省27%运行时间,同时保有同等计算精确度。本文研究为首次尝试神经网络技术与结冰数值模拟融合,为进一步发展拉格朗日方法提供有力支撑。