二维等离子体模拟粒子云网格方法的并行计算与性能分析

在共享和 分布式存储两种 并行计算环境 下，组织了二 维等离 子体模 拟粒子 云网 格法程 序（２ Ｄ Ｃ Ｉ Ｃ） 的并 行计算。首先，通 过分 析串 行算法 和２ Ｄ Ｃ Ｉ Ｃ 程序 的单 机执 行特 征，设 计了 并 行算 法和 实现策略；然后 ，基于共享存储和 消息传递两种 并行程序设 计方式， 在四种 共享和 分布 式存储 并行 机上，组织了具 体的并行计算，对 性能结果进行 了详细的比较分 析，获得了若干 重要结论。

快速随机粒子网格法的气动噪声预测方法

耦合随机湍流速度生成模型与线化欧拉方程技术,形成了一套具备模拟噪声在非均匀流场中传播能力的气动噪声混合预测方法。该混合方法的随机湍流速度生成模型采用了快速随机粒子网格法,为声传播模拟提供了可靠的源项。而噪声的传播计算选用线化欧拉方程,其空间离散采用9点5阶的色散保持关系格式,时间推进选用了高精度大时间步长的6级4阶龙格库塔格式,远场边界应用了无分裂形式的理想匹配层边界条件。首先,选用高斯脉冲传播算例对线化欧拉方程的时空离散格式、远场无反射边界条件进行了验证分析。然后,计算分析各向同性湍流的空间相关性验证湍流速度生成模型的可靠性。最后,基于已搭建的气动噪声混合预测方法进行了30P30N三段翼缝翼噪声的计算分析。计算分析可知：监测点处功率谱密度曲线、噪声指向性等计算结果与参考文献结果取得了较好的一致性。数值计算结果表明所建立的气动噪声混合预测方法能有效预测二维复杂构型的气动噪声问题。

无网格等离子体静电模粒子模拟方法

介绍了一种无网格粒子模拟方法 :三维快速多极展开方法 (3DFMM ) ,对其进行改进以提高精度 .在低维粒子模拟中 ,采用具有低维运动的球粒子模型 .模拟了尘埃粒子在背景等离子体中产生的势场 ,以及等离子体中电子相对于离子运动所引起的不稳定性 ,并得到合理的物理图象 .

无网格粒子法中复杂二维形状的均布离散方法

在二维情况下,针对配点型无网格粒子法中复杂边界区域的离散困难问题进行了系统的研究,提出了一套高精度均布离散方法。采用将二维问题降阶为一维问题的思路,先对边界进行离散并对内部进行填充,再利用粒子的不可压缩模型和自适应性质对预离散结果进行调整,以实现均匀离散。分别对直线元素和曲线元素几何图形的离散过程进行分类研究,给出了翼型等复杂曲边区域的粒子布置。结合算例对角点附近粒子间距过近的问题进行分析,并给出了一种解决方案。结果分析表明,该方法在精确表达复杂形状的基础上实现了粒子均匀离散,大幅提高了布置效率和工程应用价值,为解决三维复杂问题提供了研究基础。

粒子云网格方法在大尺度湍流磁重联研究中的应用和进展

作为汪景琇院士主持的中国科学院数理学部"天体辐射磁流体力学"战略研究项目组成部分^([1]),从等离子体的动力学属性出发,介绍了用于研究等离子体与周围磁场结构相互作用的粒子云网格方法,及其在研究具有复杂等离子体和磁场结构的磁重联过程中的应用。这里提到的磁场与等离子体的复杂性包括变化的等离子体β值,磁重联电流片中包含有多种尺度的结构,以及这些结构之间的相互作用,而且这些结构的尺度变化范围很大(从105km变化到102km)。进一步探讨了该方法在太阳物理领域,特别是在太阳爆发磁重联过程方面的可能应用以及未来的发展;并为项目研究中其他部分在数值方法^([2–5])和太阳物理^([6,7])方面提供借鉴和补充。

光滑粒子动力学方法的发展与应用

光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)是一种拉格朗日型无网格粒子方法,已经成功地应用到了工程和科学的众多领域.SPH使用粒子离散及代表所模拟的介质,并且基于粒子体系估算和近似介质运动的控制方程.本文分析和综述了SPH模拟方法的发展历程、数值方法与应用进展.介绍了SPH方法的基本思想;从连续性、边界处理、稳定性和计算效率4个方面阐述了SPH方法的研究现状;介绍了SPH方法近年来在可压缩流动、不可压缩流动以及弹塑性材料高速变形与失效方面的一些典型应用;并对SPH方法的发展与应用进行了预测与展望.

移动粒子半隐式方法的计算效率优化

针对无网格法计算效率普遍不高的局限性,以移动粒子半隐式(MPS)方法为例,将计算耗时较多的程序模块作为优化对象,以降低计算等级和减少计算次数为优化手段,从搜索算法、数学运算和计算实现形式3个主要方面进行了改进.提出了用低级运算来代替高级运算、用方位比较来代替距离比较的位置比较消冗法来优化搜索算法,消除了大部分无效计算,大大降低了计算的复杂程度和计算量,使得该方法的计算效率得到显著提高,增强了MPS方法的应用范围和工程时效性.该算法具有非常好的普适性,容易在类似算法中移植,还有随着计算规模的增大优化效果更加明显的特点.同时,发现多种优化方式的组合使用并非效果叠加,需考虑它们的兼容关系.

光滑粒子动力学方法在复杂流动中的研究进展

光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)是一种纯粹的拉格朗日型无网格数值方法,尤其在处理包含自由表面或多相运动界面的复杂流动问题方面具有独特优势。随着计算精度和稳定性等方面的不断完善,SPH方法已被广泛应用于科学和工程的众多领域。介绍了SPH基础理论的最新成果,重点分析了其在界面流、流固耦合、非牛顿流体等领域的研究进展,并对未来发展进行了展望。

模具形状设计优化新方法—无网格方法

简要介绍了无网格方法 ,给出了一种常用的无网格方法———重构核粒子法形函数的表达形式 ;

再生核粒子方法及其应用

再生核粒子方法(RKPM)是一种备受关注的无网格方法,具有广阔的应用前景。本文首先概述再生核粒子方法的发展过程,介绍了RKPM的近似方案、形函数的推导和边界条件的处理方法;综述了再生核粒子方法的最新研究动态。通过给出橡胶梁弯曲变形的数值算例,说明再生核粒子方法在解决大变形等工程问题上有着精度高,自适应能力强等特点。

一类用于光滑系数的轴对称静电问题的半粗化多重网格方法

提出了一种用于求解带光滑介电函数的轴对称Poisson问题的半粗化多重网格方法.利用z方向的网格半粗化和r方向的线松弛磨光技术,此方法可以克服多重网格方法用于柱坐标系时的慢收敛问题.算例表明此方法具有很高的效率,并可用于等离子体的隐式PIC模拟;通过和并行三对角求解器联用,此方法还可以改造为并行形式.

一种求解Robin反问题的边界型无网格方法

给出一种求解非齐次稳态热传导方程Robin反问题的边界型无网格方法.该方法首先利用Newton法则将Robin反问题转化为Cauchy问题,然后用边界粒子法处理非齐次项以避免区域内部的离散节点,并结合基本解方法分别求得近似特解以及相应齐次问题的近似解.鉴于所考虑问题的不适定性,引入截断奇异值分解和L-曲线准则来求解离散后得到的高度病态的线性方程组.最后给出数值例子说明该方法的稳定性和有效性.

二维非结构网格的非振荡方法

对二维Euler方程给出一个二阶精度的有限体积方法 ,方法的主要思想是把Euler方程的一个时间步分两步计算 :第一步只考虑压力加速效应 ,第二步再考虑输运效应 ,离散过程中采用一种线性重构函数以计算交界面的流通量 ,数值实验表明该方法是非常有效的 .

无网格方法在传统力学研究

无网格法具有许多独特的优点,因此有人认为无网格法将成为继有限元法之后新一代的数值方法.本文首先简单地阐述了无网格方法,然后详细叙述了目前提出的各种无网格方法的研究进展,最后对目前无网格方法传统力学方面的研究题进行了探讨。

弱可压缩移动粒子半隐式方法对溃坝溢流问题的数值模拟

无网格粒子法(拉格朗日法)是计算流体力学领域最新一代的计算方法。由于不需要生成网格,无网格粒子法能够模拟任意形状的界面及其变形和碎裂,尤其适用于计算如溃坝溢流及波浪破碎等具有复杂自由表面运动的流体力学问题。其中,光滑粒子流体动力学方法(SPH)和移动粒子半隐式法(MPS)是无网格计算方法的典型代表。采用基于MPS法的修正弱可压缩移动粒子半隐式法(weakly compressible corrected moving particle semi-implicit method)构建了用于求解自由表面流问题的数值计算模型,并用于模拟干床面与湿床面上的溃坝溢流问题。计算结果与实验结果的对比分析表明,采用基于WCCMPS无网格法建立的数值计算模型对干、湿床面上溃坝溢流的溢流形态、水柱高度以及波前速度等均给出了良好的计算结果。

一个二阶精度的大粒子有限体积方法

对二维Euler方程给出一个二阶精度的非结构网格有限体积方法,方法的主要思想是把Euler方程的一个时间步分两步计算:第一步只考虑压力加速效应,第二步再考虑输运效应,离散过程中采用一种具有最小二乘思想的线性重构函数以计算交界面的流通量,数值实验表明该方法是非常有效的。

关于无网格方法中撒点算法

在计算科学和逼近理论的许多领域，无网格法是近期研究的一个重要课题。国际上已提出了十余种无网格方法。无网格方法首先需要布置合理的粒子点，才能建立格式模拟实际问题。

MPS方法研究进展及其在船舶水动力学问题中的应用

移动粒子半隐式方法(moving particle semi-implicit,MPS)是基于Lagrangian观点来描述流体的运动,具有能够灵活处理自由面的大幅度变形及物体的运动变形等优点,近年来受到越来越多研究人员的关注。本文对MPS方法的研究进展及其在船舶与海洋工程水动力学问题中的应用现状进行介绍。从计算精度方面,介绍了研究人员为提高压力场的光滑性及稳定性,对粒子间相互作用模型做出的多种改进。从计算效率方面,介绍了提高MPS方法计算速度的主要技术手段,同时从扩展MPS方法在实际水动力学问题中应用范围的角度,介绍了研究人员在数值边界条件和多相流方面做出的贡献。本文回顾了MPS方法在船舶与海洋工程典型水动力学问题中的应用成果,对该方法在数值格式改进、与其他方法耦合及三维复杂实际工程应用方面的发展空间进行了展望。

基于松散式代理模型管理框架的亚音速机翼优化设计方法研究

基于N-S方程的三维气动外形的优化设计一直以来都因为存在众多的设计变量和庞大的计算量问题而无法实现,为了解决这些问题,文中发展了一套机翼气动优化设计系统,该系统基于模拟退火粒子群优化算法、松散式代理模型以及动网格和改进的HicksHenne函数变形技术,选取翼根、翼梢各18个设计变量进行参数化。按某型飞机设计要求,在给定设计指标下进行优化设计,研究了基于松散式代理模型管理框架下,训练样本采用拉丁超立方方法对Kriging代理模型的预测能力进行评估,以及应用该代理模型框架进行了亚音速机翼的气动外形优化设计,结果显示,优化后机翼的气动特性有着显著提高。

基于均匀设计的支持向量机参数优化方法

在实际应用中,支持向量机的性能依赖于参数的选择。针对支持向量机的参数选择问题进行了研究和分析,提出了基于均匀设计的支持向量机参数优化方法。与基于网格搜索、粒子群算法、遗传算法等支持向量机参数优化方法进行了比较与分析,采用多个不同规模的标准的分类数据集进行测试,比较了四种方法的分类正确率和运行时间。仿真实验表明,四种方法都能找到最优参数,使支持向量机的分类正确率接近或超过分类数据集的理论精度,本文方法具有寻参时间短的特点。