流场计算程序并行化方法的研究

利用“流场分区”的方法把流场计算程序并行化,并成功地在Transputer并行计算机上运行,并行效率可达到80％。介绍了流场划分、并行编程以及提高并行效率的方法。     

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。     

基于分区的隐式求解二维不可压NS方程的并行实现

本文通过对目前常用并行算法的分析,基于区域分解的思想,给出了适用于隐式求解原始变量二维不可压NS方程压力修正方法的并行算法,并在网络异构编程PVM环境下进行了数值验证,讨论了计算结果,结果显示对任务级的并行,并行效率也同样随粒度的增加而提高.另外此方法还可推广到三维复杂流场的计算问题.     

网格结构机上的并行填充算法

并行扫描转换算法,采用通过多边形顶点的扫描线对扫描转换区间进行划分,使划分在各个区域的子多边形都是梯形,这既在一定区域内保持了各种相关性,又消除了对奇点的处理,同时对梯形的扫描转换不需要求交计算而只进行增量计算,提高了扫描转换速度。     

稀薄气体圆柱绕流的并行化DSMC方法研究

本文针对ＤＳＭＣ方法的内在并行特征构造了两种并行算法,并在ＰＶＭ环境下实现了并行化计算。计算结果表明,实现ＤＳＭＣ方法的并行化能够显著缩短计算时间,提高计算效率,不同并行算法能够达到的加速比存在差异。     

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%。     

可视化的并行程序设计系统

可视化并行系统的提出计算技术的匕速发展,特别是超级计算机的广泛应用,使科学家和工程师面临着巨大的数据洪流,大量数据远远超出了人脑分析、解释这些数据的能力,大规模并行机有着高性能的优点和优于巨型机的性能/价格比,但并行程序设计非常复杂,用户应用得到的性能距硬件的性能相差甚远,很难充分发挥并行系统的强大计算能力,并行计算可视化技术解决了上述困难,现正成为理解复杂系统,观察并行程序执行过程,直观调试并行程序和分析其性能的一项非常有效的工具。     

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。     

跨音速差分的并行运算初探

本文就跨音速平面定常小扰动位流的差分计算问题,在“银河”计算机(YH-1)上进行并行运算的初步探讨。差分方程采用隐式近似因式分解法(AF2)迭代计算。与在同一机器上的串行运算相比,并行运算比串行运算提高计算效率约16倍。     

适用于涡激振荡问题研究的并行高精度方法

提出了一种用于研究大振幅及物体间小间距等极端情况下涡激振荡（VIV）问题的高精度方法。该方法针对三角形/四边形非结构混合网格,采用高精度谱差分（SD）格式对Navier-Stokes方程进行空间离散。通过引入非均匀滑移网格方法,将计算域分割成多个互相不重合的子区域,从而实现了子区域网格的独立变形,子区域之间通过粘接元进行信息传递。采用全耦合方法精确求解VIV问题中流体和固体间的相互作用。通过研究并行策略以及使用消息传递接口,实现了求解器的并行计算能力。数值模拟表明：对于无黏和有黏流动问题,该方法均能保持SD方法的高精度特性;对于动网格下的定常均匀来流,求解器能够做到自由流保持;单个圆柱VIV问题仿真与现有文献结果符合较好,验证了方法的可靠性;对于流场变形情况比较复杂的涡激振荡问题,求解器可以有效实现网格变形,并具有理想的并行效率。     

Linux环境下MPI并行编程与算法实现研究

并行计算实现求解一些复杂的问题,并行编程技术的进步使得并行计算逐步应用到很多领域。MPI是一种消息传递编程模型并可以被广泛使用的编写消息传递程序的标准,已扩展为一种优秀的并行程序设计语言。该文简要介绍了有关并行编程的基本概念与方法,深入讨论了MPI并行编程环境与并行编程模式,对MPI并行性进行了分析,给出了Linux环境下MPI编程环境的配置方法,最后结合一个实例详细描述了用MPI实现并行算法的方法。通过对实验程序的结果分析,在Linux机群环境下用MPI实现复杂的并行算法是简单的,并且能取得较好的性能。     

跨、超音速流动的区域分解方法与并行算法

研究二维跨、超音速无粘性流动的 Euler方程区域分解方法、并行算法及其应用。通过内边界耦合条件实现相邻子区域解的光滑过渡,以得到总体流场的数值解。发展了一种多块区域之间守恒型的有效内边界耦合方法,对二维翼型跨音速流动和钝头体超音速流动等进行了分区数值求解,分区计算结果与其他单区计算结果作了比较,并讨论了多种区域分解数目的分区计算效率。并行计算采用纯结点并行编程方式和“先进先出”的同步控制等待机制,利用 PVM并行环境对二维绕翼型跨音速流动做了二区和四区分区并行计算。     

Geometric error analysis of an over-constrained parallel tracking mechanism using the screw theory

This paper deals with geometric error modeling and sensitivity analysis of an overconstrained parallel tracking mechanism. The main contribution is the consideration of overconstrained features that are usually ignored in previous research. The reciprocal property between a motion and a force is applied to tackle this problem in the framework of the screw theory. First of all, a nominal kinematic model of the parallel tracking mechanism is formulated. On this basis, the actual twist of the moving platform is computed through the superposition of the joint twist and geometric errors. The actuation and constrained wrenches of each limb are applied to exclude the joint displacement. After eliminating repeated errors brought by the multiplication of wrenches, a geometric error model of the parallel tracking mechanism is built. Furthermore,two sensitivity indices are defined to select essential geometric errors for future kinematic calibration. Finally, the geometric error model with minimum geometric errors is verified by simulation with SolidWorks software. Two typical poses of the parallel tracking mechanism are selected, and the differences between simulation and calculation results are very small. The results confirm the correctness and accuracy of the geometric error modeling method for over-constrained parallel mechanisms.     

低速风洞动态试验的高速并联机构设计及动力学分析

为模拟飞行器多自由度(DOF)风洞试验,设计并制造了一种用于低速风洞试验的高速并联六自由度机构,综合分析需求和机构的约束条件,确定机构的结构参数,并分析和总结了该机构的特点。使用ANSYS软件计算系统的固有频率,得到系统极限位置的振动响应。利用ADAMS软件对机构进行柔性动力学仿真,模拟机构在高速运动时紧急制动的动力特征,比较分析刚性和柔性制动的冲击载荷,总结出机构高速制动的特点,所分析结果在机构的设计和实际应用中具有重要的意义。实际运行表明:并联机构可实现单自由度和多自由度耦合运动,具有大工作空间(振幅可达30°/500mm)、高运动精度(达0.05°/0.5mm)和高速(达5m/s)等特点,并具有较高的运动性能,满足风洞试验要求。     

基于模约束的自定标方法

提出了一种新的利用图像中的互相垂直的两对平行线及模约束来实现摄像机的自定标,该方法只需要图像中包含有两对互相垂直的平行线,利用两幅图像就可以实现摄像机的自定标.所提出的摄像机定标方法在求解过程中是准线性的,模拟实验和真实实验数据结果表明,该方法能够标定出摄像机的所有内参.     

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。     

风洞试验绳牵引并联支撑技术研究进展

新型飞行器的研制越发强调先进的飞行性能,这对风洞试验模型支撑技术提出了高的要求,为扩展风洞试验的能力,迫切需要研究新型的智能支撑技术。绳牵引并联支撑是基于机器人技术的一种新型机构,具有刚度较大,动态性能良好等优点,为风洞试验提供了一种新的手段。首先,全面论述了绳系支撑在风洞试验中的应用,并给出动态分析;进一步根据绳牵引并联支撑技术的特点,将其分为可实现受迫运动的冗余约束支撑,以及可实现受迫+自由运动的欠约束支撑;其次,重点阐述了冗余约束与欠约束两类支撑系统的若干关键技术问题及其研究进展;最后,指出绳牵引并联支撑技术的发展方向是具有可重构性和智能化。可为绳牵引并联支撑技术在风洞试验中的工程应用提供一定的理论指导与技术支持。     

有限元的一种并行算法及实现

当前,由于有限元素法大都使用串行算法,处理时间较长。本文根据有限元素法的特点和采用的并行计算机结构,提出了一种并行有限元算法,能大大提高其处理速度,加快处理周期。且算法简单,实现方便。