隨著高性能計算的發(fā)展,以解決大規(guī)模科學與工程問題為背景的科學計算成為繼理論分析和實驗研究之后的第三大研究和探索自然的手段。CFD應用是科學計算的一個重要分支,高性能計算機性能的不斷提升給CFD應用帶來了新的機遇。然而,面向?qū)嶋H應用的大規(guī)模三維CFD應用問題對計算資源及模擬效率帶來了更加嚴峻的挑戰(zhàn)。CFD的應用發(fā)展受到兩方面條件的制約:數(shù)值方法是實現(xiàn)高效并行模擬的關鍵因素,然而單一數(shù)值方法難以兼顧有效性、計算效率、及可擴展性等方面要求;模擬框架是實現(xiàn)高效并行模擬的重要依托,當前的CFD模擬框架的發(fā)展與大規(guī)模、跨領域、多數(shù)值方法的應用環(huán)境并不相適應。本課題以粘彈流應用為切入點,首次針對面向大規(guī)模并行計算的LBM-FVM耦合模擬關鍵技術展開了相關研究�；诋斍鞍l(fā)展成熟及有應用前景的數(shù)值機制,設計了LBM-FVM耦合模擬數(shù)值方法�；诖笋詈夏M數(shù)值算法以及現(xiàn)有開源CFD軟件框架,設計了LBM—FVM粘彈流耦合模擬框架。對耦合模擬框架中的并行劃分及耦合模擬兩個基本環(huán)節(jié)進行了優(yōu)化,提出了面向耦合模擬的自適應稀疏塊圖劃分優(yōu)化方法以及基于多級混合并行優(yōu)化方法。最后,基于典型的粘彈流benchmark使用耦合模擬框架及對耦合模擬方法進行了綜合驗證。LBM-FVM耦合模擬數(shù)值方法既可以保持FVM方法的有效性和通用性,又可以引入LBM的高效性和高可擴展性;LBM-FVM耦合模擬框架的層次化設計可以屏蔽底層平臺實現(xiàn)細節(jié),實現(xiàn)跨領域協(xié)作及兩種數(shù)值方法的高效耦合,獲得更為高效的模擬性能。LBM-FVM耦合模擬相關思想和方法可以推廣到其他數(shù)值方法耦合的研究領域。因此,研究LBM-FVM耦合模擬相關技術對促進CFD并行框架以及耦合模擬技術的發(fā)展具有重要的意義。論文主要內(nèi)容及創(chuàng)新點包括:·設計了LBM-FVM耦合模擬數(shù)值方法基于粘彈流應用背景及LBM和FVM數(shù)值算法的特點,提出了使用LBM和FVM方法分別模擬不可壓NS方程和本構方程的LBM-FVM耦合模擬數(shù)值方法:以雷諾數(shù)相等為條件嚴格定義了LBM和FVM方法之間的參數(shù)轉(zhuǎn)換過程及數(shù)學公式;建立了LBM網(wǎng)格和FVM網(wǎng)格之間在不同空間維度及邊界條件下的空間映射關系;提出了LBM和FVM耦合模擬粘彈流時的等時間步及異時間步兩種時間步進機制;最后設計了統(tǒng)一的LBM-FVM粘彈流耦合模擬數(shù)值算法框架�；谠擇詈夏M數(shù)值方法,研究者可以準確的模擬粘彈流的流動行為,提高模擬過程的效率及可擴展性;此數(shù)值方法可推廣到lbm與其它宏觀數(shù)值算法耦合模擬的應用場景�！ぴO計了LBM-FVM耦合模擬框架基于LBM-FVM耦合模擬數(shù)值算法以及現(xiàn)有開源cfd軟件框架,設計了lbm—fvm粘彈流耦合模擬框架:框架采用高內(nèi)聚、低耦合的層次化結構,集成了lbm求解、fvm求解、空間耦合、時間耦合、單位轉(zhuǎn)換等核心功能模塊,并設計了規(guī)范的模塊調(diào)用接口和配置文件格式;為了實現(xiàn)大規(guī)模并行耦合處理,框架采用基于網(wǎng)格分塊及場數(shù)據(jù)格式的spmd并行模式,并建立了耦合模擬并行劃分工具及統(tǒng)一的io架構�；谠擇詈夏M框架,研究者可以簡化粘彈流耦合模擬開發(fā)流程,實現(xiàn)跨領域協(xié)作,便于大規(guī)模并行處理及優(yōu)化。·提出了面向耦合模擬的自適應稀疏塊圖劃分方法根據(jù)LBM-FVM耦合模擬過程的特點,綜合考慮算法約束、負載均衡及通信約束的影響,設計了自適應稀疏塊圖劃分方法asbmetis。asbmetis對模擬區(qū)域網(wǎng)格進行自適應分塊,在簡單的初級劃分之后,將塊的計算負載以及塊之間的通信開銷抽象為圖結構,再次進行圖劃分調(diào)整過程,將塊分配到各個并行處理單元。asbmetis的分塊和劃分過程不斷迭代,直到滿足預設性能需求。實驗表明,在不同幾何結構下,asbmetis均可以自適應調(diào)整分塊大小以滿足預設網(wǎng)格性能指標;劃分結果的負載均衡和通信開銷均大大優(yōu)于原有多塊及稀疏塊劃分方法�！ぴO計了面向耦合模擬的多級混合并行模式對耦合模擬過程中的fvm求解、lbm求解、耦合操作中的執(zhí)行時間耗費進行了分析,在網(wǎng)格子區(qū)域粗粒度并行的基礎上進一步探索細粒度并行性:fvm求解微分方程離散中的任務級并行和線性系統(tǒng)求解中的數(shù)據(jù)級并行、lbm求解過程中基于原子塊的數(shù)據(jù)級并行、耦合操作中的數(shù)據(jù)級并行,基于mpi和openmp混合編程模型實現(xiàn)了各模塊的多級混合并行處理,并為各個部分設置不同的并行度。基于該混合并行模式,研究者可以提高LBM-FVM耦合模擬過程的資源利用率、并行效率、及可擴展性。·設計了基于LBM-FVM的耦合求解器并進行了實驗驗證我們以等溫不可壓粘彈流為切入點,基于LBM-FVM耦合模擬數(shù)值方法及框架,設計了基于空間插值和單時間步耦合的ILFVE數(shù)值算法和求解器,以及無空間插值和多時間步耦合的IBLF-dts數(shù)值算法和求解器;建立了科學的驗證標準,基于四種具有代表性的粘彈流benchmark:Poiseuille流、Taylor-Green渦、Cavity流、以及4:1收縮流,將LBM-FVM耦合模擬求解器的模擬結果與解析解、半解析解、以及FVM PISO方法的數(shù)值解進行了比較,對耦合模擬方法的正確性和模擬效率進行了綜合驗證。
【學位單位】：國防科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：O35;TP38
【部分圖文】：

要應用領域發(fā)揮著越來越重要的作用。由于其廣泛應用前景，高性能計算平臺已從原來少數(shù)國家級數(shù)據(jù)中心和軍隊部門進入到各科研院所、大型企業(yè)等機構。圖1.1 1993年6月至2015年6月TOP500高性能計算平臺性能發(fā)展趨勢第3頁
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2 李艷平;李蘭;朱燦;董紅;;地表水地下水的交互作用與耦合模擬[J];長江科學院院報;2006年05期

3 包為民，陳耀庭;中大流域水沙耦合模擬物理概念模型[J];水科學進展;1994年04期

4 包為民;小流域水沙耦合模擬概念模型[J];地理研究;1995年02期

5 包為民;小流域水沙耦合模擬概念模型[J];地理研究;1995年02期

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1 鄒順;面向大規(guī)模并行計算的LBM-FVM耦合模擬關鍵技術研究[D];國防科學技術大學;2015年

本文編號：2864304