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。     

基于GPU和隐式格式的CFD并行计算方法

从图形处理器(GPU)架构特点出发,提出了基于数据并行的隐式计算流体力学(CFD)求解方法,空间离散格式采用迎风Roe格式,计算网格适用于结构和非结构网格。采用统一计算设备架构(CUDA)技术实现了GPU上的隐式CFD并行计算。分别在Intel Core2 Quad3.0GHzCPU和NVIDIAGTX280 GPU上进行了计算,结果表明隐式格式计算速度是显式格式6倍以上,采用显式格式的计算加速比达到28倍,采用隐式格式计算加速比达到了28.7倍,同时计算加速比随计算规模的增加而增加。计算结果和实验结果较为吻合。     

隐式无网格算法及其应用研究

本文的主要目的在于研究求解Euler方程的隐式无网格算法，并应用于复杂的流场计算。采用无网格算法，计算区域用点云离散代替通常的网格划分；计算点上的空间导数，用当地点云上引入的二次极小曲面逼近。求解的Euler方程用隐式时间后差离散，结合用Roe的近似Riemann解确定通量，并用LU－SGS算法分步计算，数值求解了单翼型或双翼型模拟的复杂绕流。     

网格分区构筑中区域边界的隐式处理方法

介绍一种网格分区构筑中区域边界的隐式处理方法──ADMZI法。该方法具有简单实用、数据结构灵活等特点,特别适合于区域边界难以确定的情况。将该方法应用于多级火箭级间分离时的流场物理域网格构筑,结果证明是成功的。     

基于耦合隐式方法的复杂外形绕流计算研究

飞机复杂外形的气动特性数值模拟在飞机型号研制中有重要的作用,也是数值模拟中比较复杂的问题。笔者采用基于Octree技术的方法生成非结构四面体网格,用耦合隐式离散方法进行有限体积离散,利用此方法对某型飞机带外挂和舵面偏转情况的气动特性进行了数值模拟,将计算结果与实验结果作了比较,收到较好效果。     

用隐式WENO格式计算悬停旋翼跨声速流场

发展了一种基于高阶迎风格式的计算悬停旋翼跨声速流场的隐式有限体积法。对流项采用Roe通量差分分裂格式,使用五阶WENO格式进行左右状态重构,并与MUSCL插值进行比较;粘性项采用中心有限体积法。为提高收敛到定常解的效率,时间推进采用LU-SGS隐式方法。数值模拟采用了一种能够有效传递网格间流场信息的重叠网格,其中使用了三层内边界和贡献边界的方法以便插值的直接进行。用该方法对一跨声速悬停旋翼粘性流场进行了数值计算,数值结果表明:与MUSCL格式相比,WENO格式对激波位置捕捉得更准确,具有更强的涡捕捉能力,同时还表明了WENO格式在很大程度上能够克服涡耗散问题。     

叶栅绕流计算的高分辨率隐式解法

以一种性能优越的高分辨率格式为基础, 发展了其隐式解法, 提出并实现了与这种格式相适应的隐式边界处理过程, 从而显着提高了高分辨率格式的收敛速度。用不同来流条件下叶栅绕流数组计算结果与实验做了对比, 以说明解的准确程度和本文算法的效果。      

固体火箭复合结构喷管传热的隐式计算方法

采用适用于多层复合结构的当量热容瞬态热传导方程,通过坐标变换解决多个移动边界问题,用ADI方法推导了二维隐式求解格式,在与烧蚀相耦合的情况下获得了复合结构喷管的温度分布。用隐式方法计算有效地减少了计算机时,对工程设计大有裨益。     

基于雅可比矩阵精确计算的GMRES隐式方法在间断Galerkin有限元中的应用

为改善高阶间断Galerkin有限元方法(DG)时间推进效率,在三维非结构网格下针对该方法建立了并行广义最小残差(Generalized Minimal Residual,GMRES)隐式时间迭代方法,GMRES方法基于科学计算工具包PETSc中的Krylov子空间求解器实现。为进一步提高GMRES的计算效率,发展了方程组右端项残值雅可比精确计算方法,针对无黏通量Roe格式和黏性通量BR2(Bassi Rebay 2)黏性计算方法,分别解析给出其对守恒变量多项式自由度的雅可比矩阵。基于建立的方法首先采用NACA0012翼型研究了GMRES的重启次数及收敛参数对方法收敛性影响,然后采用无黏及黏性算例对比研究了基于雅可比矩阵不同计算方法的GMRES计算效率,同时对比研究了雅可比矩阵完全近似求解下GMRES和LU-SGS(Lower Upper-Symmetric Gauss-Seidel)的计算效率。结果表明,建立的基于右端项残值雅可比矩阵精确求解的GMRES方法能够大幅提高不同精度DG方法的CFL(CourantFriedrichs-Lewy)数,相比前面提到的其它方法具有更高的计算效率,其收敛速度实现量级以上的提高。     

涡扇发动机加减速特性显式与隐式计算方法

为了探索一种便于进行涡扇发动机过渡态控制规律设计的性能计算模型,提出了基于部件法的涡扇发动机加减速的显式格式和隐式格式计算方法,该方法通过在发动机计算模型中直接给定喘振裕度限制值、燃烧室油气比限制值和涡轮进口总温的限制值,计算出最优的加减速特性,进而获得发动机的最优加减速控制规律。计算模型针对不同的给定值,选择了不同的燃烧室容积效应模型。证明了对一般的涡扇发动机,隐式格式计算模型中,给定压气机喘振裕度算法的解是唯一的。以某涡扇发动机在地面的加减速过程为例,按最优加减速控制规律计算,显式格式算法和隐式格式算法的结果误差小于1.3%.对给定高压转子转速加速率的加速特性也进行了验算,计算结果与最优加速过程的结果误差小于1.7%.本文提出的加减速特性计算方法可为涡扇发动机的过渡态开环和闭环控制规律设计提供便捷的手段。     

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。     

一种自动化并行重叠网格隐式装配方法

重叠网格装配是处理计算流体力学领域多体相对运动问题的关键技术之一。针对常见重叠网格隐式装配方法中几何分析过程复杂、节点无差别并行查找操作影响并行装配效率等问题,提出一种高度自动化的重叠网格隐式装配方法。首先,基于协方差分析、切割盒子等快速算法,将壁面距离计算与贡献单元存在性判断解耦,实现网格组动态重叠关系的自动化识别;其次,结合集合分析,设计出并行化的自动挖洞算法;最后,通过快速查询方法建立重叠单元与贡献单元的插值关系。针对所实现的并行重叠网格隐式装配工具库,采用某五球体部件验证了自动挖洞逻辑的准确性,并通过机翼-挂架-外挂物（WPFS）模型检验了重叠单元与贡献单元插值关系的准确性。     

航空发动机非线性模型实时计算的迭代方法研究

针对航空发动机非线性模型将作为未来机载应用而需要严格实时性的问题,研究了求解模型的迭代方法,综述其历史发展情况,并讨论收敛性问题,同时提出一种改进应用方案,即模型在过渡态仿真时可将上一状态点雅可比矩阵直接应用于下一点计算,能够在典型应用方案基础上直接减少气动热力模型计算次数,从而提高整体模型执行效率.通过实际算例对这些应用方案进行仿真比较与分析,结果表明:①Broy-den秩1法执行效率最高,更适宜用于模型实时计算;②改进应用方案简单、有效,为进一步满足非线性模型的严格实时性要求奠定基础.      

具有复杂边界的火箭冲压发动机流场数值计算

针对实际复杂的补燃结构和计算边界,以块隐式法计算流场,用代数法生成计算网格,通过改变离散方程来处理三维定常Ｎ－Ｓ方程边界条件。算例表明,该方法正确可靠,迭代过程能够快速收敛。     

非定常不可压粘性/无粘性耦合方程的一种分步分解方法

给出了数值求解初始变量不可压Navier-Stokes／Euler耦合方程的一种分步块LU分解方法。与传统的时间分裂法不同,该法无需压力中介边条件,从而避免了传统时间分裂法要求的复杂的压力中介边条件逼近。分步块LU分解方法可看做经典的Uzawa算法的改进,后者曾被成功应用于不可压Navier-Stokes／Euler耦合方程的求解。但本文显示分步块LU分解法比经典的Uzawa方法更经济。分析显示该法具有良好的稳定性和高精度,数值结果支持这一理论分析。     

基于混合网格的三维Navier-Stokes方程并行算法

提出了一种基于混合网格的三维Navier-Stokes方程的并行计算方法。Navier-Stokes的求解采用了基于面的有限体积方法,该方法适用于任何网格类型。采用一方程Spalart-Allmaras模型来计算紊流黏性。并行计算采用区域分裂的方法,利用METIS网格分区系统实现了各节点的加载平衡。节点间的数据交换通过调用MPI库函数来实现,采用非阻断通讯的方式来减少数据交换时间。充分利用FORTRAN90的动态存储特性来减少对内存的需求。最后,通过对绕DLR-F6外形(翼身组合体+挂架+发动机短舱)黏性流动的数值模拟,验证了该并行程序的准确性,高性能并行计算以及处理复杂几何外形的能力。     

基于图论的燃油管路稳态流动计算方法

基于节点分析法,提出将局部损失并入相应管段的处理方法,推导阻力计算公式,从而得到兼顾沿程和局部损失的稳态流动计算方法。将该计算方法应用于实际的航空发动机燃油管路,采用VB.NET语言编写计算软件;同时,对燃油管路开展三维数值模拟计算。结果表明:局部损失对管路的流量分配影响较大;该计算方法得到的流量分配与数值计算结果趋势吻合很好,差别在±10%。