基于结构网格的大规模并行计算研究

通过求解RANS方程和Menter's k-Omega SST两方程湍流模型,以及采用多重网格加速收敛技术、基于多块结构网格的通用数据传输方法和区域分解负载平衡技术,实现CFD软件的并行计算。在国家超算长沙中心的"天河"系统上完成了软件的移植、测试,并实现翼身组合体外形的2048处理器核数、网格规模上亿单元的大规模并行计算,并行效率达到48%,较大幅度地缩短了计算周期,提高了工作效率。通过对DLR-F6的模拟,在气动力系数精确求解、超大规模网格模拟的快速收敛和网格收敛性研究等方面取得了初步结果,为下一步大规模工程实际应用打下了坚实基础。     

并行燃烧数值模拟计算优化——面向自适应非结构网格的动态负载平衡方法

燃烧数值模拟计算通常采用非结构网格模拟计算区域。在非结构网格上进行并行模拟计算时,其自适应方式使得不同进程上的计算负载频繁变动,且差异巨大,导致并行计算效率低下。为了提高并行计算的效率,一个有效的方法是采用动态负载平衡技术。提出一种针对燃烧的化学反应状态的动态负载平衡方法,该方法采用不同策略对化学反应不同阶段各进程上的计算负载进行预测,根据预测结果平均进程间的计算任务,达到负载平衡。实验分析表明,该方法能有效地降低进程间的负载不平衡程度,使得模拟计算的总体运行时间降低了10％。     

基于结构网格的高超声速流动大规模并行数值模拟研究

本文采用MPI消息传递模式自主开发出适用于高超声速流动数值模拟的并行计算软件,该软件以三维Navier-Stokes方程为基本控制方程来求解层流问题,应用基于结构网格的有限体积法对计算域进行离散,采用AUSMPW+格式求解对流通量,利用MUSCL插值方法获得高阶精度,时间格式上采用LU-SGS方法进行时间迭代以加快求解定常流动的收敛过程。在高性能计算机上针对不同高超声速流动进行大规模并行计算的结果表明,所开发的CFD并行计算软件具有较高的并行计算效率,为高超声速飞行器气动力/热的准确预测提供了高效工具。     

基于重叠网格的翼型动态失速数值模拟

由于动态失速的相关特性及网格变形方法的限制性,采用重叠网格方法及广泛应用在分离流动问题中的SST k-ω湍流模型对NACA0012翼型开展了非定常动态失速的数值模拟研究,得到了动态运动过程中的气动力系数及翼型周围的流线图。研究结果表明采用的计算网格及方法不仅可以有效模拟翼型小幅振荡的动态特性,对大迎角俯仰运动的计算也具有良好的效果。同时能够精确的模拟出俯仰振荡过程中的气动力迟滞效应及大迎角动态失速时翼型前缘涡产生、脱落到再附的运动过程。     

大规模空气动力学数值模拟中的并行重叠网格装配技术

重叠网格方法因为其网格生成简单、局部网格质量高等优点,是模拟有相对运动的非定常问题的一种常用方法。重叠网格首先需要装配过程,即通过建立网格间的重叠关系、确定宿主及待插值单元,实现网格间的流场信息交换。本文针对大规模数值模拟中,网格分散存储在多个处理器上的情况,研究了分布式重叠网格装配方法。本文先提出分布式网格装配问题,再详细阐述适用于三维结构网格的分布式装配技术,最后利用标准的机翼挂载模型对算法进行了测试,结果表明该算法可以在保证较高并行性的同时,为非定常计算提供准确的流场插值信息。     

基于非结构滑移网格技术的旋翼型无人机空气动力学并行数值模拟方法

在现代飞行器设计中,数值模拟方法以低成本、高效率和高灵活性等优点成为研究飞行器空气动力学的重要方法.在旋翼型无人机流场模拟中,由于旋翼与机身存在相互作用,为获得精确模拟结果需要对整个无人机的流场进行模拟,因此,有效地模拟旋翼与机身的相对运动是实现成功模拟的关键步骤,这使得此类模拟问题极具挑战性.文章设计了一套求解旋翼型无人机空气动力学数值模拟问题的基于非结构滑移网格技术的高可扩展并行计算方法.该方法对控制方程的离散,在空间方向采用非结构移动网格有限元方法,时间推进采用全隐式二阶向后差分格式,最后采用一种并行Newton-Krylov-Schwarz方法求解离散后的非线性方程组.作为应用,文章对一个真实旋翼型无人机模型在悬停状态下的外流场进行了数值模拟,获得了一些非常详细的流场信息.数值结果显示,算法在天河2号上使用4 096个处理器核时仍具有接近线性的并行加速比,这为下一步开展旋翼型无人机的高保真度快速模拟奠定了良好的基础.     

基于OpenCL大规模种群并行遗传算法

为了提高RNA二级结构预测的准确率和加速遗传算法,提出基于OpenCL大规模种群并行遗传算法。通过研究遗传算法中潜在的并行性,以Acer TMP246M-MG-5086为实验平台,先在CPU中实现遗传算法,再使用OpenCL技术在GPU中实现大规模种群并行遗传算法。测试结果表明,并行遗传算法对于RNA二级结构预测的准确率平均提高了约49.88%,使用GPU平均加速比为9.76x。     

YLT:一个基于大规模并行计算机的并行文件系统

并行文件系统是提高大规模并行计算机I／O速度的有效途径之一，但构造一个并行文件系统往往是件复杂的工作。文中对并行文件的概念、结构作了深入的探讨，提出了在传统文件系统基础上构造并行文件系统的简单而有效的方法，并介绍了YLT并行文件系统的实现策略，最后在理论上对YLT的性能作出了评估。     

大规模CFD多区结构网格任务负载平衡算法

针对现有负载平衡算法的适应度低、可扩展性差、通信开销度量不准确的缺陷, 提出一种大规模CFD多区结构网格任务负载平衡算法。通过对网格块的分割、网格块之间的组合映射、进程上网格计算量的调整来实现并行CFD任务负载平衡。实验结果表明, 该算法既适应同构平台也适应异构平台, 既适应网格块数多于进程数的情况也适应网格块数少于进程数的情况, 该算法可使得整个计算空间分配到各进程上的计算量负载平衡, 同时使得各进程间的最大通信开销最小。     

大规模非结构网格上基于PC的流线可视化研究

针对大规模非结构网格,提出了两种基于PC的流线可视化方法：内存映像文件方法（MMFM）和多线程out-of-core方法（MTOM）。利用八叉树空间划分大规模非结构网格,并讨论了数据块的组织结构。MMFM将大规模数据文件映像成虚拟RAM,流线构造与in-core方法类似,利用空间分块组织数据,减少缺页请求。MTOM利用多线程技术实现out-of-core流线构造,使得CPU和I／O重叠,隐藏时延,在多CPU上还可并行处理。测试结果表明,MMFM,MTOM都可利用较少内存进行大规模非结构网格的流线可视化,取得了较好的性能。     

CFD并行计算中的多区结构网格二次剖分方法与实现

在多区结构网格计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)并行模拟中,为了与并行计算资源相适应,经常需要对原始流场网格进行二次剖分与区块分组.在对区块分组和网格二次剖分进行了总结综述的基础上,重点提出针对多区结构网格二次剖分的两种策略:几何剖分和嵌套二分.基于这两种策略完成了剖分软件工具TH-MeshSplit,可实现初级方式、专业方式和专家方式3种运行方式,为用户在自动化与灵活性方面提供了多样化选择.数值实验结果表明,两种剖分策略及其实现软件可在较短时间内完成复杂的剖分,剖分后的网格在负载平衡性、计算通信比等方面具有更优的性能,从而为后续CFD流场的高效并行加速求解奠定了基础.     

基于动网格的NACA0012翼型动态失速仿真计算

针对翼型动态失速问题,利用动网格技术的数值计算方法,采用转捩修正的SST k-ω湍流模型对NACA0012翼型进行仿真模拟及数值计算,得到翼型升阻力系数随迎角的变化规律以及翼型表面的压力和速度云图。研究表明,动网格技术和所选湍流模型能较好地捕捉翼型动态失速过程中涡流的形成、发展、脱落和再附着的过程,对翼型动态失速的研究提供一定的参考作用,也为民航训练动态失速项目的研究奠定基础。     

负载敏感的P2P覆盖网

P2P网络较好地实现了大范围分布式环境下的节点自组织,但面向实际应用时,由于节点能力的差异带来了负载均衡问题.按照混合层次网络架构,基于Treap树设计了一种P2P覆盖网,根据负载率的优先级构造最小堆,并动态维护,实现稳定化操作.节点通过Treap树的信息汇聚机制获取后代节点的负载率,以此为基础实现负载均衡策略.仿真结...     

基于HD F5实现多区结构网格CFD程序的并行I/O

计算流体动力学（computational fluid dynamics ,CFD）是高性能计算重要应用领域之一,其计算涉及大量数据访问．在大规模并行计算情况下,串行I/O的性能与计算能力不匹配,I/O成为性能瓶颈．并行I/O 是解决这一问题的主要途径之一．针对一个真实多区结构网格CFD 并行程序 HOSTA （high‐order simulator for aerodynamics）,基于HDF5（hierarchical data format v5）数据存储格式及其并行I/O编程接口,实现了其主要数据的并行I/O．在一套有6个I/O服务器结点的高性能计算机系统上,采用实际C FD算例进行了性能测试．对一个三角翼算例,并行I/O相对于串行I/O的性能加速比达到21．27,最高获得5．81 GBps的I/O吞吐率,并使程序整体性能提高10％以上;对一个网格规模更大的简单翼型算例,并行I/O最高获得了6．72 GBps的I/O吞吐率．     

基于流水线负载平衡模型的并行爬虫研究

针对并行爬虫系统在多任务并发执行时所遇到的模块间负载平衡问题,提出流水线负载平衡模型（PLB）,将不同的任务抽象为独立模块而达到各模块的处理速度相等,采用多线程的方式实现基于PLB的并行爬虫,根据线程的休眠和缓冲区的变化对线程数量进行动态调整以实现PLB。实验结果表明该方法具有良好的运行效率和稳定性。     

基于多块结构网格大规模并行计算的负载均衡设计及实现

结构网格具有网格生成速度快、质量高、数据结构相对简单、较适用于流体表面应力集中的运算等优点。在大规模 CFD（Computational Fluid Dynamics）并行计算中,需要将网格区域划分为多块网格,而多块网格之间的数据通信会制约并行计算能力的提高,因此对结构网格的负载平衡优化是提高并行计算能力的重点。本文提出了一个采用多层次 k-way 多约束条件图剖分算法来改进负载平衡的方案,并对 M6 翼型和 CRM 模型的多种规模进行了实际计算,结果证明多层次 k-way图剖分算法能够有效地优化负载平衡,在此基础上得到了最优节点间的计算负载平衡和通信负载平衡,最终达到了理想的并行效率。     

旋翼翼型动态失速特性的数值仿真研究

旋翼翼型动态失速具有很强的非定常性与非线性,为研究动态失速发生时的气动和流场特性,基于CFD软件FLU-ENT,采用单方程S-A湍流模型,对NACA0012翼型的动态失速特性进行数值仿真。仿真结果显示,轻失速是后缘分离,旋涡影响范围小;深失速则形成了很强的前缘分离涡,结构复杂,影响范围大。参数研究显示,较大的湍流强度能减缓动态失速的发生,并且动态失速状态下的分离涡影响范围较小。通过与实验的对比证明,用S-A湍流模型的方法可以较好地仿真动态失速过程中旋涡的形成与发展过程。     

基于Delaunay三角网的克里金并行算法优化

当采样点数据量较大时, 可以采用Delaunay三角剖分建立三角网来使用局部邻域采样点进行克里金插值. 但是该算法需要对每个插值点拟合半变异函数, 插值点规模大时造成巨大开销. 为此, 本文提出了一种以三角形为单位拟合半变异函数的克里金插值方法, 采用CPU-GPU负载均衡将部分计算优化, 充分考虑不均匀样本对克里金插值效果的影响. 结果表明, 本文算法能够保证不均匀样本集的插值效果, 提升了计算性能且能够保证较高的精度.