HSWAP:适用于高性能计算环境的数值模拟工作流管理平台

针对高性能计算(HPC)环境中的"建模、计算、分析、优化"一体化应用构建的问题,设计了支持数值模拟软件封装和数值模拟工作流交互设计的数值模拟工作流管理平台--HSWAP。首先,基于对数值模拟活动的运行特征共性建模构建组件模型;然后,利用工作流表达数值模拟活动间的控制、数据依赖关系,建立形式化的数值模拟工作流模型,所形成的工作流模型可在平台中自动解析并适配高性能计算资源,从而实现批量关联数值模拟任务的自动生成与调度,为领域用户屏蔽高性能计算资源的使用细节。平台提供Web Portal服务,支持图形数值模拟程序的交互界面推送。目前该平台已在超算中心实际生产环境得到部署应用,可在2人月内完成包含10个以下数值模拟软件、20个以内计算任务节点的数值模拟工作流的集成。

基于SPH方法的纤维材料超高速碰撞模拟

利用光滑粒子动力学方法(SPH)建立纤维织构几何模型,以纤维束为对象,结合纤维断裂模型和纤维束本构进行纤维材料的超高速碰撞计算,通过电炮实验获取的复合材料自由面速度历史,结合一系列数值计算,进一步修正基体的失效模型。相对于基于平均化的传统模型,这种反映纤维材料织构的计算模型能够描述冲击响应的局域特征。初步开展了复合防护材料宏观尺度的超高速撞击与破坏过程的动力学模拟,利用模拟结果进行防护性能评估。

影响高功率光导开关临界频率热因素的数值分析

基于时域有限差分法(FDTD)对非线性模式面结构砷化镓光导开关的热传导过程进行了数值模拟。研究了光导开关临界频率与电流丝位置、半径、数量、芯片尺寸、环境温度等参数的关系。研究表明:临界频率随电流丝半径、数量的增加,呈指数上升趋势;临界频率随着电流丝深度、芯片厚度的增加,呈指数下降趋势;临界频率在一定范围内随环境温度的增加呈线性下降趋势。

超算环境科学工作流应用平台的引擎设计和资源调度

围绕超算资源的易用性和多类软件的集成以及协作需求,开发了超算环境下的科学工作流应用平台,设计了异步并发的流程执行引擎,采取调度算法和调度器、引擎相分离的设计策略,给出了资源调度方案。提出了局部资源池化技术和资源预约算法,并比较分析了五种常用调度算法的性能,给出了算法选择的建议。实际应用表明设计的引擎能够支撑复杂工作流的灵活执行方式,给出的资源调度方案能够满足超算环境下工作流应用的高效执行。

超算环境科学工作流应用的容错

超算环境中科学工作流技术广泛应用于科学研究和工程仿真领域。复杂多物理过程数值模拟、多阶段数据处理等应用往往需要使用多种应用软件相互协作,构建业务流程自动执行来提升工作效率。然而在超算环境中执行科学工作流应用面临着资源失效、任务配置错误等异常情况,造成工作流执行中断,严重影响完成效率,故容错功能对超算工作流应用的稳定持续运行有重要意义。介绍了科学工作流的容错设计分类,并对典型工作流系统的容错设计进行分析评述;提出了基于决策树的事件-条件-动作容错模型,设计了非侵入式可扩展的容错架构,并针对自主研发的部署在超算环境下的科学工作流应用平台HSWAP,实现了运行时可配置的容错策略。在实际的工程仿真任务中,基于所提出模型和架构实现的容错机制为提高工作流执行效率发挥了重要作用。

碎片超高速撞击防护结构粒子场三维重构

为模拟空间碎片超高速撞击航天器防护结构表面材料喷射/溅射粒子场演化过程,并获取粒子场相关物理信息,基于粒子场同轴激光全息图像开展了碎片撞击过程的三维重构技术研究.首先对全息图像进行边缘剪切和缩放,将其划分为分辨率300×300左右的子图像以便于进行网格剖分;对于粒子堆叠区域子图像,采用基于三角化的网格剖分算法;剖分后形成的单一粒子采用Sobel算子提取其二维轮廓,然后将其投影到特定的三维空间形成三维形体;基于MAXScript语言实现了粒子场演化过程模拟.重构结果表明,无论是粒子场静态三维重构结果还是其演化过程均与撞击试验全息图像吻合较好,从而验证了该重构技术的有效性,为研究空间碎片对航天器防护结构的损伤效应提供了一种新的思路.

内爆压缩多层密绕螺线管的数值模拟

利用AUTODYN二次开发接口建立三维多层密绕螺线管数值模型,并实现周期性边界条件,应用光滑粒子动力学方法对内爆压缩多层密绕螺线管过程及其界面不稳定性开展数值模拟。计算结果表明,内爆压缩螺线管结构过程存在扰动快速增长至后期的界面失稳现象,与对应的实验结果较为相符。同时,计算显示螺线管结构参数对界面不稳定性发展具有显著影响,螺旋角度减小,结构压缩后期的界面不稳定性趋于严重;铜线直径减小,结构压缩后期的界面不稳定性趋于减弱。

一种基于二级轻气炮平台的超高速弹丸发射装置设计

基于强爆轰效应,提出一种新的超高速弹丸发射装置。在二级轻气炮平台上,设计内置炸药柱的三级加速腔,将二级轻气炮发射的克质量弹丸由6～7km/s,再次加速至9～10km/s的超高速。通过数值模拟优化设计药柱与飞片的形状,以及弹丸的树脂封装,从而抑制强爆轰产生的中心射流对弹丸的破坏,并且在短脉冲强冲击过程中,避免在直径达厘米级的铝或钛合金弹丸内的层裂破坏。数值模拟结果表明,经过优化设计的三级加速腔可以将气炮出膛速度约6.0km/s的1.03g铝合金弹丸加速至9.6km/s,弹丸最终形状仍保持类球形,速度增益约1.6。

炸药柱面内爆磁通量压缩实验技术研究

炸药柱面内爆磁通量压缩实验技术(MC-1)是一种原理独特的高能量密度实验技术,它是利用炸药内爆驱动金属套筒压缩其内部磁通量从而实现超高磁场,利用超高磁场可以对其内部的样品实现等熵压缩.由于这项技术具有超高磁场、等熵加载等特点,在材料高压物性、新材料高压合成、及超强磁场下的凝聚态物理等多个领域都具有广阔的应用前景.2011年,中物院流体物理研究所在国内率先开展了这一方面的实验研究工作,研制成功了单级MC-1实验装置,观测到了MC-1实验的典型实验特征,获得了超过430T的动态超强磁场.数值分析表明,利用这项技术可以实现对材料的等熵压缩.这项技术的研究对于我国未来开展极端条件下的凝聚态物理研究具有积极的意义.

表面粗糙度对金属冲击熔化破碎的影响

对两种表面粗糙度的金属锡样品开展了一维平面冲击微层裂实验,采用自行研发的多点动量测试装置获取熔化金属破碎区粒子动量的时空分布信息。测试结果表明,对于百纳米级粗糙度精磨样品,在加载稀疏波的作用下,熔化金属出现典型的分层断裂现象。应用光滑粒子流体动力学方法与Autodyn程序,开展了金属锡微层裂过程的细观尺度模拟,研究自由面稀疏波沿样品厚度方向传播时界面不稳定性增长的特征。研究发现,微米尺度的表面粗糙度足以使扰动伴随反射稀疏波的传播而充分增长,卸载区熔化金属充分破碎,破碎粒子同时具有冲击方向和径向的分散性,与实验测试结果相符合。

周期性铜线密排结构的冲击压缩特性研究

对铜线密排结构材料开展了一维平面应变冲击压缩实验与数值模拟研究。利用激光位移干涉仪测量了样品/窗口界面速度剖面,获取了有效的结构冲击压缩实验数据。从样品界面速度曲线可以推断,密排结构冲击压缩时没有形成致密结构,在卸载过程中发生了分层。应用光滑粒子流体动力学方法(SPH)建立了平面铜线密排结构的三维计算模型,计算得到样品冲击加载下的压缩特性,实验和数值模拟得到的界面速度和压力结果吻合较好,为后续开展柱面铜线密排结构的冲击压缩过程研究奠定了基础。