基于可编程GPU的多源图像融合

针对可编程GPU模型,提出了基于CPU-GPU的并行边缘强度加权融合算法,利用CPU和GPU协同工作模式达到图像融合的目的,其中CPU负责串行任务,而GPU负责并行任务。实验结果表明,并行边缘强度加权融合算法得到的融合图像有着较好的视觉效果,信息熵和QAB/F这两个评价指标均高于文中对比算法的相应指标;从运行时间上分析,基于CPU-GPU的融合方法所需要的运行时间远低于基于CPU方法所需要的运行时间,并且图像尺寸越大,加速比越高。     

GPU平台上的叶轮机械CFD加速计算

通过数据并行的方式对一个成熟的叶轮机多块网格气动计算程序(MAP)进行了并行化处理,利用计算统一设备架构(CUDA)技术实现了在图形处理单元(GPU)上的并行计算.保留了原程序中的2阶空间迎风格式和隐式时间离散格式,并采用了隐式迭代对线性系统进行求解.经过2个叶轮机械算例的测试,与在传统的中央处理器(CPU)上运行的原程序相比,在计算结果完全一致的前提下,单GPU的计算速度最高可达单CPU计算速度的8.89倍,与四核并行的CPU计算相比可以得到2.39倍的加速.     

基于迎风格式的双曲型网格生成方法

双曲型网格生成方法是一种十分适合于重叠网格方法应用的网格生成方法。为了避免双曲型方程将初始外形的不光滑性继续向外传播，本文采用了自动隐含数值耗散项的迎风格式进行数值离散。在法向推进方向，采用了隐式格式，使得网格推进步长的大小不受稳定性条件的限制。对实际应用中可能出现的边界条件进行了分类和处理。几个典型外形网格生成的质量是令人满意的，说明本文方法是成功的。     

CFD中高阶格式的分区并行计算研究

结合高阶WENO格式和分区并行方法,在基于MPI平台的COWs和MPP上实现了CFD高阶格式的分区并行计算.高阶格式具有在光滑区高阶、间断区高分辨率等优点,但计算量较大;分区的方法能够有效地将CFD问题划分成可并行执行的交互式子问题,提高计算速度.通过典型计算可以看出算法不但保持了高阶WENO格式的优良性质,而且减少了程序运行的墙上时间.     

不同马赫数的无粘和粘性流动高阶精度隐式计算方法

 应用隐式时间推进法对不同马赫数的无粘和粘性流动进行数值分析,给出了基于预处理方法的高阶精度隐式求解方法。方程离散采用改进的高阶精度对流迎风分裂格式。该方法通过求解曲线坐标系可压缩Euler和 Navier-Stokes方程,对低速到超音速范围内的无粘和粘性流动的典型问题进行了数值分析。计算结果与文献的数值结果或实验数据对比分析表明,该方法对低速到超音速范围内的无粘和粘性流动问题进行数值分析是可行而有效的。     

欧拉方程隐式迭代矢通量分裂跨音流场计算

 本文用矢通量分裂格式的有限体积法求解时间相关欧拉方程组。文中证明,矢通量分裂的有限体积法不能再采用物面反射边界条件。二维问题用隐式迭代法解代数方程组,第三维方向上则用强隐格式往返扫描。此法CFL数可达100的数量级,收敛快,占内存少。跨音流场计算结果与实验符合良好,激波只占一两个网格。     

三维Euler方程组隐式LU分解的高性能并行计算

许多非定常无粘流体力学问题的数值模拟都需要利用Euler方程组来进行计算,而由于在隐格式下,所选取的时间步长可以比在显格式下时大得多,所以隐格式越来越受到重视,其中隐式LU分解是最常用的方法之一。对三维Euler方程组,采用隐式LU分解进行计算时,网格点所在的各个对角阵面之间存在数据依赖关系,本文分析了采用区域分解且边界上用显格式代替隐格式进行计算的高效性,在长方体建筑物内的爆炸模拟表明,在有112个CPU的某MPP巨型机上,并行计算效率超过60%。本文还分析了计算结果与串行计算时的差异,以及利用区域重叠减小这种差异的方法,同时考虑了对处理器进行合理的逻辑组织,将计算网格映射到处理器网格,以最大限度减少通信开销的方法。文中最后以一个爆炸毁伤的例子实际说明了所述方法的可行性与高效性。     

新的解跨音速Euler方程的隐式杂交方法

 本文提出一个新的杂交格式,它由Jameson-Turkel LU分解法和Harten TVD（total variation diminishing）格式的修正数值通量耦合而成。LU分解用于Euler方程隐式部分的离散化而Harten的数值通量控制所谓的稳态解残差。精心构造LU算子,可使矩阵算子L和U很容易逐点推进求逆;以Harten的数值通量计算杂交格式右边的通量,这样做在a=1/2的条件下,可保证收敛的稳态解具有二阶精度并能高分辨率地捕获激波。数值实验表明,本文格式对于稳态计算是有生命力的并能保证较高的激波分辨率。     

飞行监控系统中基于GPU的地形渲染

利用实时遥测飞行信息生成三维虚拟地形场景,旨在飞机试飞时,增强地面指挥人员对飞机实时位置地面场景的感知能力,帮助飞行员在试飞时处理复杂多变的飞行状况。为了逼真且流畅地生成三维地形场景,首先使用固定网格映射(PGM)的方法生成地形采样网格,接着利用几何着色器为三角形面片分配连续的与视点相关的细节等级(LOD),对缓存在纹理数组中的各等级高程数据和卫星照片进行混合采样。由于细节等级是连续的,因此各级纹理和高程之间能够平滑的过渡,增加了场景的真实性。最后,考虑到显存的容量限制,引入了一种内存与显存之间的纹理调度方法。整个算法都是面向图形处理单元(GPU)实现的,能够较好地兼顾实时性和真实性,实现多分辨率大规模地形场景的实时虚拟显示。根据本文算法实现的实时监控系统在支线飞机的飞行试验中取得了较好的效果。     

旋转坐标系下分区计算的LU隐式方法

将隐式时间迭代方法应用于并行计算是CFD研究中的热点问题,研究发现LU-SGS格式在旋转坐标系下对分区边界比较敏感,对旋翼悬停状态进行分区并行计算时碰到了计算发散的问题。针对此问题,对基于LU分解的3种隐式时间迭代格式（LU-SGS、DP-LUR和HLU-SGS）进行了对比研究,设计了静止流场下的旋转网格算例对计算方法进行测试。结果表明,LU-SGS格式在网格边界采用简化处理方法,当边界的逆变速度增大时会引起数值误差放大,误差的不断积累导致计算发散。DP-LUR和HLU-SGS格式通过在边界单元采用雅克比迭代算法,能有效消除分区边界影响,使计算格式在大CFL数条件下保持稳定,其中HLU-SGS继承了LU-SGS迭代效率高的特点。在此基础上,采用并行化的LU隐式方法对Caradonna-Tung旋翼进行了并行计算,针对两套稀密程度不同的背景网格,在产生复杂分区边界的计算网格条件下,均获得了气动力和旋翼尾迹都充分收敛的流场。通过计算,分析了背景网格密度对预测气动力性能和捕捉尾迹流场的影响,计算结果与试验值吻合良好,验证了当前隐式计算方法适用于旋转坐标系并行计算,适合于推广至其他大规模并行分区的流场计算。     

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。     

三维层流分离的N—S方程隐式上风格式数值模拟

数值模拟了绕半圆球柱M∞＝1．2，a＝19°的粘性分离流和涡流．用隐式LU－SGS及Roe的通量差分分裂格式数值求解了薄层N－S方程，分析计算了所得的流场结构，包括物体背风面的涡流及三维分离方式，计算结果同实验结果定性及定量吻合很好，另外，还用流动拓扑理论分析了计算所得的流场形态。     

悬停状态倾转旋翼/机翼干扰流场及气动力的CFD计算

基于一套高效通用的多层运动嵌套网格技术,建立了适合悬停状态倾转旋翼机旋翼/机翼气动干扰特性分析的高效混合计算流体力学（CFD）方法。在倾转旋翼/机翼贴体网格区采用可压雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程作为主控方程,过渡/背景网格区选用Euler方程,湍流模型选用Spalart-Allmaras模型。时间推进上采用双时间推进格式进行非定常求解,并在方法中运用了SPMD（Single Program Multiple Data）模式的并行加速技术。在此基础上,首先分别采用UH-60A直升机旋翼及XV-15倾转旋翼机旋翼作为数值算例,验证了CFD方法的有效性。然后着重对倾转旋翼/机翼的非定常干扰流场及气动力分布特征进行了数值研究,模拟得到与实际情况相符的“喷泉效应”干扰现象。计算结果表明,干扰作用使得倾转旋翼相对于孤立旋翼拉力数值减小了3%,但总的拉力系数损失达到了17%,证明悬停状态下气动干扰对飞行器气动性能有重要影响。     

基于图剖分的多块结构网格负载平衡方法

负载平衡是影响并行计算性能的重要因素。针对多块结构网格,给出了一种改进的多层次图剖分负载平衡方法。该方法设计了新的网格剖分算法,采用改进的子块分裂方法与图剖分算法的循环调用实现结构对接网格剖分,并通过建立不同物体重叠网格间的连接关系,实现了结构重叠网格的负载平衡。采用2个典型算例对方法进行了对比验证,数值结果表明,子块分裂方法对剖分结果具有重要影响,采用循环调用算法及改进的子块分裂方法能有效地实现计算负载均衡及通信量优化,同时显著减少了网格块数及因虚网格导致的内存需求,有利于提高并行效率。该负载平衡方法与网格拓扑无关,适用于多块结构对接网格及重叠网格,且整体型剖分方式对于多块结构重叠网格具有更好的剖分效果。     

块结构的MUSCL算法求解三维进气道流场

本文将ＭＵＳＣＬ格式扩展为三维算法,并用于湍流流场的数值模拟。通过求解超声双斜楔压缩面流动,得到了含有激波、嵌入激波、剪切流和湍流边界层等流动特征的复杂流动结构,数值解与实验数据吻合得很好。文中将此算法与块结构网格技术相结合,使之能求解具有三维复杂几何形状的流场。并应用该算法模拟了Ｆ－１６战斗机进气道在５种典型飞行状态下的三维湍流流场,计算结果清楚地揭示了这些情况下的三维流动现象,得出了进气道的性     

并行计算中一种非结构网格分割方法

将递归谱对剖分方法应用于流体力学并行计算中的非结构网格分割,以解决负载平衡和最小切割问题。为使用这种方法,计算了网格伴随图的离散Laplacian矩阵的第二特征矢,然后从该特征矢的分量引入网格的对剖分。特征矢计算中应用了Rayleigh商迭代,并进行了一些修正以使收敛强烈地偏向于第二特征矢及考虑逆迭代步中线性方程组的迭代求解。最后,通过非结构自适应网格上Euler方程分区计算的数值结果验证了所发展的网格分割方法。     

多场耦合计算平台与高超声速热防护结构传热问题研究

从有限元法(FEM)和有限体积法(FVM)的单元特性出发,提出一种具有局部守恒特性的界面载荷插值方法.采用共享内存技术开发适用于通用有限元和计算流体力学(CFD)软件的多场耦合计算平台,并基于分区耦合方式实现流固耦合传热计算.作为验证,分别将ANSYS与Fluent和CFD-FASTRAN软件进行耦合,计算外壁冷却的喷...     

基于CFD的某减速器飞溅润滑仿真分析与验证

为评估飞溅润滑减速器的储油结构是否合理,基于计算流体动力学方法,建立了包含机匣、螺旋锥齿轮等构件的某减速器飞溅润滑动态仿真模型,开展了气液两相流飞溅润滑流体仿真计算与分析,获得了减速器内部的滑油运动轨迹及分布云图。通过仿真分析可以发现:输入端油兜收集到的滑油量为531 mL,大于输出端收集到的滑油量65 mL;4号油兜收集到的滑油量为0 mL,结构设计存在不合理之处,并进行了飞溅润滑试验验证。仿真分析结果与试验结果的趋势一致,验证了仿真分析方法的准确性,为飞溅润滑减速器储油结构设计提供了指导。     

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）。