【摘要】：吸氣式高超聲速技術(shù)是指飛行馬赫數(shù)大于5、以吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)及其組合發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力、在大氣層和跨大氣層中實(shí)現(xiàn)高超聲速遠(yuǎn)程飛行的飛行器技術(shù)。吸氣式高超聲速技術(shù)的核心是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和機(jī)體／推進(jìn)一體化飛行器技術(shù)。吸氣式高超聲速飛行包含許多復(fù)雜的物理、化學(xué)現(xiàn)象，大幅度增加了地面試驗(yàn)的費(fèi)用、周期和難度。隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)可以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)完成流動(dòng)參數(shù)的分析研究，提供流場(chǎng)的詳細(xì)特征，彌補(bǔ)風(fēng)洞試驗(yàn)的局限性，因此在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和性能研究方面得到了廣泛的應(yīng)用。與此同時(shí)，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)模擬對(duì)計(jì)算流體力學(xué)也提出了更高的要求，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)模擬涉及到各種組分方程、化學(xué)非平衡效應(yīng)、湍流方程、輸運(yùn)系數(shù)的計(jì)算等，其計(jì)算量相當(dāng)大，一般都需要在高性能并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上進(jìn)行大規(guī)模并行計(jì)算。 實(shí)際的CFD并行計(jì)算必須考慮串并行結(jié)果是否一致、大規(guī)模并行時(shí)的并行效率以及并行可擴(kuò)展性等問(wèn)題，在功能擴(kuò)充方面要求CFD計(jì)算支持多種物理化學(xué)模型、差分格式和隱式求解方法并能適用于不同的網(wǎng)格體系。本文主要從以上幾個(gè)方面對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)模擬的CFD并行計(jì)算進(jìn)行了研究，針對(duì)每個(gè)方面均提出了創(chuàng)新的見(jiàn)解，開(kāi)發(fā)了主要應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)模擬的面向化學(xué)非平衡流的三維大規(guī)模并行軟件平臺(tái)AHL3D。 在大規(guī)模并行技術(shù)方面，本文提出了一種靜態(tài)負(fù)載平衡策略，采用一維優(yōu)先的規(guī)則分塊算法和基于自動(dòng)重分塊的不規(guī)則分塊算法分別處理大規(guī)模和中小規(guī)模并行的問(wèn)題。為保證復(fù)雜計(jì)算區(qū)域問(wèn)題的通信效率和正確性，將通信分為三步：面通信、物理邊界面棱通信、通信邊界面棱通信，保證了通信時(shí)點(diǎn)對(duì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，避免了復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)某些特殊網(wǎng)格點(diǎn)的重復(fù)通信和通信的奇異性。 將流水線(xiàn)并行技術(shù)與CFD相結(jié)合，提出了一種基于流水關(guān)系有向圖的多維流水線(xiàn)并行實(shí)現(xiàn)算法，根據(jù)各求解子域的鄰接幾何關(guān)系和變量依賴(lài)關(guān)系分析，自動(dòng)判斷流水線(xiàn)并行是否可行，自動(dòng)確定流水方向和流水維數(shù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜計(jì)算區(qū)域問(wèn)題不同并行規(guī)模串并行結(jié)果的完全一致。 實(shí)現(xiàn)了對(duì)接網(wǎng)格、錯(cuò)位拼接網(wǎng)格和重疊網(wǎng)格的多塊并行計(jì)算。提出了一種“迷路算法”應(yīng)用于重疊網(wǎng)格“挖洞”，解決了其它算法難以處理凹型包絡(luò)面的問(wèn)題，算法的健壯性較好，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，，而且算法計(jì)算復(fù)雜度低，計(jì)算效率高。在多層次嵌套重疊情況下的通信時(shí)序控制方面，提出了重疊關(guān)系有向圖避免通信等待和重復(fù)插值。 在大規(guī)模線(xiàn)性代數(shù)方程組的迭代求解方法上，提供了三種Krylov子空間迭代
【圖文】：

只要重疊包絡(luò)面封閉，不論該包絡(luò)面外形如何復(fù)雜，迷路算法都可以準(zhǔn)確地得到包絡(luò)面內(nèi)外點(diǎn)。因三維算例不易直觀顯示，所以采用一個(gè)較復(fù)雜的二維外形作為示例。如圖4.7所示，該正方形網(wǎng)格為主網(wǎng)格，有兩個(gè)外形較為復(fù)雜的從網(wǎng)格，圖4.8的陰影部分即為得到的洞內(nèi)點(diǎn)。 1015圖4.7二維算例重疊網(wǎng)格示意圖圖4.8二維算例對(duì)應(yīng)“挖洞”結(jié)果4.7.2迷路法效率測(cè)試在“挖洞”算法的處理效率方面，我們?cè)谥黝l為3G的 hitelXeon計(jì)算節(jié)點(diǎn)上實(shí)測(cè)了不同算例迷路算法和整個(gè)“挖洞”過(guò)程的墻上時(shí)間，具體結(jié)果如下�？梢钥闯�，該“挖洞”算法對(duì)于大網(wǎng)格數(shù)據(jù)量、多層次嵌套重疊和復(fù)雜組合體問(wèn)題仍能得到較高的效率。表4.1部分典型算例“挖洞”效率示意典型算例主網(wǎng)格數(shù)(萬(wàn))從網(wǎng)格數(shù)(萬(wàn))迷路時(shí)間(秒)挖洞時(shí)間(秒)三維凹型圓柱三維單機(jī)翼飛行器整機(jī)模型13，1518.60104.3521.63 5.9278，01 0.0030 0.0048 0.123 0.65 0.5812.054.7.3找重方法測(cè)試我們?cè)谥黝l為3G的 hitelXcon計(jì)算節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行了正確性驗(yàn)證和時(shí)間效率測(cè)試，正確性驗(yàn)證以最終的找重結(jié)果文件為準(zhǔn)。因kd樹(shù)搜索時(shí)可以判斷一個(gè)點(diǎn)落在兩個(gè)第73頁(yè)

該正方形網(wǎng)格為主網(wǎng)格，有兩個(gè)外形較為復(fù)雜的從網(wǎng)格，圖4.8的陰影部分即為得到的洞內(nèi)點(diǎn)。 1015圖4.7二維算例重疊網(wǎng)格示意圖圖4.8二維算例對(duì)應(yīng)“挖洞”結(jié)果4.7.2迷路法效率測(cè)試在“挖洞”算法的處理效率方面，我們?cè)谥黝l為3G的 hitelXeon計(jì)算節(jié)點(diǎn)上實(shí)測(cè)了不同算例迷路算法和整個(gè)“挖洞”過(guò)程的墻上時(shí)間，具體結(jié)果如下�？梢钥闯�，該“挖洞”算法對(duì)于大網(wǎng)格數(shù)據(jù)量、多層次嵌套重疊和復(fù)雜組合體問(wèn)題仍能得到較高的效率。表4.1部分典型算例“挖洞”效率示意典型算例主網(wǎng)格數(shù)(萬(wàn))從網(wǎng)格數(shù)(萬(wàn))迷路時(shí)間(秒)挖洞時(shí)間(秒)三維凹型圓柱三維單機(jī)翼飛行器整機(jī)模型13，1518.60104.3521.63 5.9278，01 0.0030 0.0048 0.123 0.65 0.5812.054.7.3找重方法測(cè)試我們?cè)谥黝l為3G的 hitelXcon計(jì)算節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行了正確性驗(yàn)證和時(shí)間效率測(cè)試，正確性驗(yàn)證以最終的找重結(jié)果文件為準(zhǔn)。因kd樹(shù)搜索時(shí)可以判斷一個(gè)點(diǎn)落在兩個(gè)第73頁(yè)
【學(xué)位授予單位】：解放軍信息工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2006
【分類(lèi)號(hào)】：TP338.6

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2647096