隨著高性能計(jì)算的發(fā)展,以解決大規(guī)�？茖W(xué)與工程問題為背景的科學(xué)計(jì)算成為繼理論分析和實(shí)驗(yàn)研究之后的第三大研究和探索自然的手段。CFD應(yīng)用是科學(xué)計(jì)算的一個(gè)重要分支,高性能計(jì)算機(jī)性能的不斷提升給CFD應(yīng)用帶來了新的機(jī)遇。然而,面向?qū)嶋H應(yīng)用的大規(guī)模三維CFD應(yīng)用問題對(duì)計(jì)算資源及模擬效率帶來了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。CFD的應(yīng)用發(fā)展受到兩方面條件的制約:數(shù)值方法是實(shí)現(xiàn)高效并行模擬的關(guān)鍵因素,然而單一數(shù)值方法難以兼顧有效性、計(jì)算效率、及可擴(kuò)展性等方面要求;模擬框架是實(shí)現(xiàn)高效并行模擬的重要依托,當(dāng)前的CFD模擬框架的發(fā)展與大規(guī)模、跨領(lǐng)域、多數(shù)值方法的應(yīng)用環(huán)境并不相適應(yīng)。本課題以粘彈流應(yīng)用為切入點(diǎn),首次針對(duì)面向大規(guī)模并行計(jì)算的LBM-FVM耦合模擬關(guān)鍵技術(shù)展開了相關(guān)研究�；诋�(dāng)前發(fā)展成熟及有應(yīng)用前景的數(shù)值機(jī)制,設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了LBM—FVM粘彈流耦合模擬框架。對(duì)耦合模擬框架中的并行劃分及耦合模擬兩個(gè)基本環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化,提出了面向耦合模擬的自適應(yīng)稀疏塊圖劃分優(yōu)化方法以及基于多級(jí)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(duì)耦合模擬方法進(jìn)行了綜合驗(yàn)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(kuò)展性;LBM-FVM耦合模擬框架的層次化設(shè)計(jì)可以屏蔽底層平臺(tái)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)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(guān)思想和方法可以推廣到其他數(shù)值方法耦合的研究領(lǐng)域。因此,研究LBM-FVM耦合模擬相關(guān)技術(shù)對(duì)促進(jìn)CFD并行框架以及耦合模擬技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。論文主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)包括:·設(shè)計(jì)了LBM-FVM耦合模擬數(shù)值方法基于粘彈流應(yīng)用背景及LBM和FVM數(shù)值算法的特點(diǎn),提出了使用LBM和FVM方法分別模擬不可壓NS方程和本構(gòu)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(yán)格定義了LBM和FVM方法之間的參數(shù)轉(zhuǎn)換過程及數(shù)學(xué)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(guān)系;提出了LBM和FVM耦合模擬粘彈流時(shí)的等時(shí)間步及異時(shí)間步兩種時(shí)間步進(jìn)機(jī)制;最后設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的LBM-FVM粘彈流耦合模擬數(shù)值算法框架。基于該耦合模擬數(shù)值方法,研究者可以準(zhǔn)確的模擬粘彈流的流動(dòng)行為,提高模擬過程的效率及可擴(kuò)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(yīng)用場(chǎng)景。·設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu),集成了lbm求解、fvm求解、空間耦合、時(shí)間耦合、單位轉(zhuǎn)換等核心功能模塊,并設(shè)計(jì)了規(guī)范的模塊調(diào)用接口和配置文件格式;為了實(shí)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(chǎng)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(gòu)�；谠擇詈夏M框架,研究者可以簡(jiǎn)化粘彈流耦合模擬開發(fā)流程,實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域協(xié)作,便于大規(guī)模并行處理及優(yōu)化�！ぬ岢隽嗣嫦蝰詈夏M的自適應(yīng)稀疏塊圖劃分方法根據(jù)LBM-FVM耦合模擬過程的特點(diǎn),綜合考慮算法約束、負(fù)載均衡及通信約束的影響,設(shè)計(jì)了自適應(yīng)稀疏塊圖劃分方法asbmetis。asbmetis對(duì)模擬區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)分塊,在簡(jiǎn)單的初級(jí)劃分之后,將塊的計(jì)算負(fù)載以及塊之間的通信開銷抽象為圖結(jié)構(gòu),再次進(jìn)行圖劃分調(diào)整過程,將塊分配到各個(gè)并行處理單元。asbmetis的分塊和劃分過程不斷迭代,直到滿足預(yù)設(shè)性能需求。實(shí)驗(yàn)表明,在不同幾何結(jié)構(gòu)下,asbmetis均可以自適應(yīng)調(diào)整分塊大小以滿足預(yù)設(shè)網(wǎng)格性能指標(biāo);劃分結(jié)果的負(fù)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(shè)計(jì)了面向耦合模擬的多級(jí)混合并行模式對(duì)耦合模擬過程中的fvm求解、lbm求解、耦合操作中的執(zhí)行時(shí)間耗費(fèi)進(jìn)行了分析,在網(wǎng)格子區(qū)域粗粒度并行的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索細(xì)粒度并行性:fvm求解微分方程離散中的任務(wù)級(jí)并行和線性系統(tǒng)求解中的數(shù)據(jù)級(jí)并行、lbm求解過程中基于原子塊的數(shù)據(jù)級(jí)并行、耦合操作中的數(shù)據(jù)級(jí)并行,基于mpi和openmp混合編程模型實(shí)現(xiàn)了各模塊的多級(jí)混合并行處理,并為各個(gè)部分設(shè)置不同的并行度�；谠摶旌喜⑿心Ｊ�,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(kuò)展性�！ぴO(shè)計(jì)了基于LBM-FVM的耦合求解器并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證我們以等溫不可壓粘彈流為切入點(diǎn),基于LBM-FVM耦合模擬數(shù)值方法及框架,設(shè)計(jì)了基于空間插值和單時(shí)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(shí)間步耦合的IBLF-dts數(shù)值算法和求解器;建立了科學(xué)的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn),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(jié)果與解析解、半解析解、以及FVM PISO方法的數(shù)值解進(jìn)行了比較,對(duì)耦合模擬方法的正確性和模擬效率進(jìn)行了綜合驗(yàn)證。
【學(xué)位單位】：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：O35;TP38
【部分圖文】：

要應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。由于其廣泛應(yīng)用前景，高性能計(jì)算平臺(tái)已從原來少數(shù)國(guó)家級(jí)數(shù)據(jù)中心和軍隊(duì)部門進(jìn)入到各科研院所、大型企業(yè)等機(jī)構(gòu)。圖1.1 1993年6月至2015年6月TOP500高性能計(jì)算平臺(tái)性能發(fā)展趨勢(shì)第3頁(yè)
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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(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào);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(xué)進(jìn)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

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本文編號(hào)：2864304