一类新型自适应反扩散近似Riemann求解器及其应用

对于包含激波、剪切层等复杂结构的流动问题,为了精确模拟剪切层等精细结构,且保证激波计算的稳定性,必须采用低耗散且强鲁棒的数值通量方法。传统的HLL近似Riemann求解器的耗散性较大,Roe、HLLEM和HLLC等近似Riemann求解器在计算某些含有强激波的物理问题时会出现非物理解,容易导致不稳定。针对这一问题,本文在Riemann求解器中通过合理设计反扩散矩阵,发展了一类具有自适应反扩散的新型Riemann求解器,并将其应用到高阶加权紧致格式,实现了高阶精度求解。通过典型数值算例验证了新型方法的计算精度和稳定性,结果表明本文提出的新型自适应反扩散Riemann求解器克服了传统Riemann求解器的缺陷,既能准确识别剪切层等精细结构,又能保证激波解的稳定性。

求解多维欧拉方程的二阶非结构网格混合旋转Riemann求解器

将基于旋转近似Riemann求解器的二阶精度迎风型有限体积方法推广到非结构网格,采用基于网格中心的有限体积法,梯度的计算采用基于节点的方法引入更多的控制体模板,限制器的构造采用与非结构化网格相适应的形式.在求解Riemann问题时,沿具有一定物理意义的两个迎风方向,即控制体界面两侧速度差矢量方向及与之正交的方向.能够完全消除基于Riemann求解器的通量差分裂格式存在的激波不稳定或"红斑"现象.为减小计算量,采用HLL和Roe FDS混合旋转格式.

基于精确Riemann求解器的明满流过渡过程模拟

Preissmann窄缝法模拟明满流过渡过程方法简单,但存在明显的非物理振荡,抑制非物理振荡是该方法应用的关键。基于Godunov格式和精确Riemann求解器对明满流过渡过程进行模拟,针对Riemann问题代数恒等式在明满流交界处不光滑问题,提出了三阶收敛方法与二分法结合的迭代求解方法,保证迭代收敛至真实解;针对由于变量空间重构方法不能准确表达变量在空间中真实物理状态而导致的非物理振荡,提出了基于精确Riemann解的变量空间重构方法,准确表达激波间断在单元内的空间分布状态,从机理上抑制了非物理振荡。实例研究表明,数值计算结果与解析解或实测值吻合良好,研究成果为明满流过渡过程的高精度数值模拟提供了新的方法。

用鲁棒Riemann求解器和运动重叠网格计算旋翼粘性绕流

发展了一种基于鲁棒Riemann求解器和运动重叠网格技术计算直升机悬停旋翼流场的方法。基于惯性坐标系,悬停旋翼流场是非定常流场,控制方程为可压缩Reynolds平均Navier-Stoke方程,其对流项采用Roe近似Reimann求解器离散,使用改进的五阶加权基本无振荡格式进行高阶重构,非定常时间推进采用含牛顿型LUSGS子迭代的全隐式双时间步方法。为实施旋转运动和便于捕捉尾迹,计算采用运动重叠网格技术。计算得到的桨叶表面压力分布及桨尖涡涡核位置都与实验结果吻合较好。数值结果表明:所发展方法对桨尖涡具有较高的分辨率,对激波具有较好的捕捉能力,该方法可进一步推广到前飞旋翼粘性绕流的计算。

基于HLLC Riemann求解器和重叠网格的三维可压缩粘性流场的计算

寻找准确捕捉激波和涡尾迹的高分辨率问题一直是计算流体力学领域具有挑战性的问题。本文基于HLLC近似Riemann求解器,发展了一种计算三维可压缩粘性跨音速流场的计算方法。采用HLLC Riemann求解器离散Reynolds平均Navier-Stoke方程的对流项,为提高精度,使用改进的五阶加权基本无振荡格式进行高阶重构。首先对三维固定翼绕流进行计算,然后结合静态重叠网格将方法成功推广到悬停旋翼绕流,并实现洞边界和人工外边界处高阶插值的直接进行。数值结果表明所发展方法能有效地捕捉激波,对桨尖涡也具有较高的分辨率。

基于HLLC近似Riemann求解器的天然河道水流运动模拟

天然河道断面几何形状快速变化条件下的一维复杂水流运动高精度数值模拟仍面临较大困难。基于Godunov格式,提出了基于守恒型圣维南方程的HLLC近似Riemann求解器的通量计算方法,将该求解器由浅水方程拓展至守恒型圣维南方程;提出了针对天然河道复杂断面几何形状下的变量空间重构方法:依据过流断面面积和静力矩等效原则将河道断面概化成矩形,通过线性插值构造单元界面处断面几何形状,根据水位重构结果计算界面两侧过流断面面积和静力矩的重构值,保证计算格式守恒。实例研究表明,天然河道断面几何形状快速变化条件下,该方法的计算结果与实测值吻合良好,同时对于混合水流运动具有较高模拟精度。研究成果为天然河道水动力及环境水力学高精度数值模拟提供了新的方法。

SMTLOC:基于多源频谱的SMT求解器缺陷定位

SMT求解器作为重要的基础软件,其存在的缺陷可能会导致依赖于它的软件功能失效,甚至带来安全事故.然而,修复SMT求解器缺陷是一个十分耗时的任务,因为开发者需要花费大量的时间和精力来理解并找到缺陷的根本原因.虽然已有许多软件缺陷定位方面的研究,但尚未有系统的工作研究如何自动定位SMT求解器缺陷.因此,提出一种基于多源频谱的SMT求解器缺陷定位方法SMTLOC.首先,对于给定的SMT求解器缺陷,SMTLOC提出一种枚举算法,用以对触发该缺陷的公式进行变异,从而生成一组不触发缺陷,但与触发缺陷的公式具有相似执行路径的证人公式.然后,SMTLOC根据证人公式的执行路径以及SMT求解器的源码信息,提出一种融合覆盖频谱和历史频谱的文件可疑度计算方法,从而定位可能存在缺陷的文件.为了验证SMTLOC的有效性,收集60个SMT求解器缺陷.实验结果表明,SMTLOC的缺陷定位效果明显优于传统的频谱缺陷定位方法,SMTLOC可以将46.67%的缺陷定位在TOP-5的文件内,定位效果提升了133.33%.

适用于非静力大气模式的近似黎曼求解器应用研究

基于多矩非静力大气模式,开展了3类垂向近似黎曼求解器应用研究。多矩非静力大气模式具有高精度与数值守恒特性,其垂向采用守恒的有限差分格式进行数值离散,而网格单元边界通量计算是通过求解黎曼问题来实现的,因此采用合适的近似黎曼求解器对准确模拟非静力大气垂直运动显得十分关键。LLF(Local Lax-Friedrich)、LMARS(Low Mach Approximate Riemann Solver)和HLLC(Harten-Lax-van Leer Contact)为计算流体力学(CFD)中常用的3种近似黎曼求解器,它们的计算代价和复杂程度逐渐增加。一维标准数值试验表明:LLF计算最为经济,但具有较强的耗散;LMARS具有适用于大气流动的假设,对于数值粘性的控制较好且计算量不大;HLLC建立的三波模型可以避免对中间特征场的过度数值耗散。基于LLF近似黎曼求解器计算经济的特点,通过优化LLF近似黎曼求解器各特征波动的粘性系数,能够实现与LMARS、HLLC近似黎曼求解器相同的性能,且计算代价最小。二维非静力数值试验表明,优化的LLF近似黎曼求解器能够规避常规LLF近似黎曼求解器的数值耗散过大问题,正确模拟小尺度非静力垂直运动,达到更复杂的LMARS、HLLC近似黎曼求解器模拟效果且并未增加计算量,这为非静力大气数值模式提供了良好的参考价值。

基于多样性SAT求解器和新颖性搜索的软件产品线测试

软件产品线测试是一项非常具有挑战性的工作.基于相似性的测试方法通过提升测试集的多样性以达到提高测试覆盖率和缺陷检测率的目的.因其具有良好的可拓展性和较好的测试效果,目前已成为软件产品线测试的重要手段之一.在该测试方法中,如何产生多样化的测试用例和如何维护测试集的多样性是两个关键问题.针对以上问题,提出一种基于多样性可满足性(SAT)求解器和新颖性搜索(novelty search,NS)的软件产品线测试算法.具体地,所提算法同时采用两类多样性SAT求解器产生多样化的测试用例.特别地,为了改善随机局部搜索SAT求解器的多样性,提出一种基于概率向量的通用策略产生候选解.此外,为同时维护测试集的全局和局部多样性,设计并运用两种基于NS算法思想的归档策略.在50个真实软件产品线上的消融和对比实验验证多样性SAT求解器和两种归档策略的有效性,以及所提算法较其他主流算法的优越性.

基于PARDISO直接求解器的三维自然电位正反演

近年来自然电位法在海底硫化物资源的勘探和评价中发挥了重要作用。本文开展的是基于PARDISO直接求解器的3D自然电位正反演算法研究。首先,利用有限体积法离散自然电位控制方程,采用PARDISO直接求解器提高正演计算的效率,通过数值解与解析解对比,验证了正演算法的可靠性。其次,在3D反演算法中考虑了地形因素,同时将最小支撑约束与深度加权加入目标泛函中,理论模型数据的反演结果很好地恢复了矿体的结构。最后,利用该算法对室内沙箱实验获得的自然电位数据进行反演,结果显示得出的电流密度异常与金属棒的位置基本一致。因此,本文提出的反演算法在未来大规模自然电位数据反演中具有重要作用。

高焓流动中的可压缩颗粒两相流并行求解器:数值方法及其验证

在极端力学环境下可压缩点力颗粒两相流理论方程的基础上,提出一种基于动态链表数组的并行颗粒求解器,使其与可压缩流体求解器耦合。与基于欧拉坐标系的携带流体相不同,基于拉格朗日坐标系的求解器采用动态链表数组对弥散颗粒相进行内存分配,可以解决因使用全局数组解决拉格朗日/欧拉坐标系转换带来的弥散颗粒群内存利用率低和计算效率低下问题。最后对多物理效应的可压缩颗粒两相流求解器进行验证,并在马赫数渐进趋于零的情况下,对两个不可压缩槽道颗粒湍流标模进行验证。

面向众核CPU的稠密线性求解器性能评测与优化

稠密线性求解器在高性能计算和机器学习等领域扮演着重要的角色。其典型的并行算法实现通常构建在著名的fork-join或task-based编程模型之上。尽管采用fork-join模型的主流稠密线性代数库能将大部分的计算转移到高度优化、高性能的BLAS 3例程上,由于fork-join不灵活的执行流,它们仍然未能高效地利用众核CPU的计算资源。采用task-based编程模型的开源库能实现更加灵活、负载更均衡的算法,因此能获得明显的性能提升。然而,在众核CPU平台上,尤其是对于中等矩阵规模的问题而言,它们仍然有较大的优化空间。对稠密线性求解器的性能进行了全面的测评,以定位性能瓶颈,并提出了2种优化策略,以提高程序性能。具体地,通过重叠LU分解和下三角求解的计算过程,减少同步开销线程的空等,从而提高算法的并行性;进一步通过减少冗余的矩阵打包操作,降低算法的访存开销。分别在2个主流的众核CPU平台(Intel®Xeon Gold®6252N(48核)和HiSilicon Kunpeng 920(64核))上进行了性能评估。实验结果表明,该优化的稠密线性求解器在上述两个CPU平台上,相比最佳开源实现分别取得了10.05%(Xeon)和13.63%(Kunpeng 920)的性能提升。

基于FluxNet的热传导方程反问题的求解器

热传导偏微分方程的求解是工业应用中一种重要的计算,为了解决传统的热传导方程正演运算耗时过长的问题,提出一个基于新型的网络结构FluxNet的求解器。通过热传导方程的正演运算获得关于温度场分布图以及对应的热流密度图的数据集,基于深度学习训练该数据集,建立一个具有卷积层和反卷积层的热流密度网络结构FluxNet模型。使用该求解器预测数据以及实际数据的热流密度图进行测试和验证,实验结果得出该求解器预测的热流密度结构相似度均达到90%以上,达到了工业应用需求。

结构力学求解器在“结构力学”课程中的应用研究

为了有效提升“结构力学”课程的教学效果,本文简要介绍了结构力学求解器并对其在课程教学中的应用进行了探究。通过对静定和超静定结构的示例分析,可知结构力学求解器能够完成力学实验,并直观地反映不同结构体系的受力特点。通过对结构几何组成分析和静定桁架内力计算的示例可知,结构力学求解器能够加深学生对力学问题的理解,培养并提升解决工程实践问题的能力和素养。结构力学求解器具有良好的教学效果,但也存在一定的局限性,需要进一步的探究和开发,以提高求解器在教学过程中的应用效率。

基于Kokkos模板元编程的性能可移植求解器开发

【目的】解决面向多样化异构计算架构的求解器应用编程问题。【应用背景】超级计算机的硬件架构日益多样化,新的异构架构因生态不够完善,往往导致软件移植研发门槛过高、研发周期过长,以及存在针对不同硬件反复适配、移植等问题。【方法】在Kokkos代数算子库基础上,开发一套面向国产E级计算环境的“性能可移植”模板元接口开源框架,用于线性代数求解器编程。【结果】本文给出其用于Krylov子空间算法的简单编程示范,实现了面向国产异构处理器的线性代数求解器移植,部分求解器相较于10核超线程Xeon CPU有数十倍以上加速。【结论】性能可移植编程可成为应对多样化异构计算的解决方案。

一维浅水方程的强和谐Riemann求解器

处理底坡项是计算浅水动力学的重要任务之一。针对传统的底坡项处理技术在大起伏地形上的不足,通过计算底坡项对水深和动量通量的影响,并进行相应的分解,构造了集成底坡项的近似Riemann求解器。该求解器具有强和谐性,即能保持任意流速下的恒定流状态。同时,能保证水深计算值非负,有利于计算的稳定性。考虑了干湿界面中固壁、漫流等情况,适应动边界模拟。算例研究结果表明,该求解器能准确地处理底坡项,保证水深非负,和谐性好,激波捕获能力强,适应干湿界面计算,可模拟复杂混合流态问题,因而具有较好的推广应用价值。

基于黎曼求解器的SPH算法及其应用

基于传统光滑粒子流体动力学方法(SPH)进行数值模拟时,在边界处存在压力和速度震荡,甚至导致求解失败。为准确求解SPH方程式中的粒子的物理粘性,减小数值耗散,将黎曼求解器纳入SPH格式中,通过重整化过程对连续性方程中的梯度算子进行了校正。通过一系列经典算例的数值模拟结果表明,基于黎曼求解器的SPH算法能够准确的模拟液体的流动,且具有良好的准确性和鲁棒性。

基于精确Riemann求解器的复杂明渠水流运动模拟

断面几何形状复杂条件下一维明渠水流运动高精度模拟面临较大困难。该文以守恒形式圣维南方程作为控制方程,提出基于动量方程的变量空间重构方法,在动量方程中增加因断面宽度变化而产生的侧压力项,适用于混合流及断面几何形状复杂等条件下变量空间的精确重构。数值计算方面,基于Godunov格式,采用精确Riemann求解器对复杂明渠水流运动进行高精度模拟。实例研究表明,数值计算结果与解析解或实测值吻合良好,算法具备和谐、稳健和高精度等特点,特别适用于泄水闸泄流等复杂明渠水流运动数值模拟,具有较高的实用价值。

基于自主开发求解器的蒸汽发生器二次侧流场分析

针对蒸汽发生器二次侧复杂流动传热现象,基于iconCFD开发了新的物理模型和求解器,采用多孔介质模型完成了对蒸汽发生器二次侧的流动和换热现象的数值模拟分析。计算模型中通过映射的方法实现了不同区域之间的数据的相互交换和更新,计算结果与ATHOS软件计算的结果相比对,通过比较一次侧出口温度、二次侧出口水蒸气质量流量和二次侧进口和出口处压力,此3项与ATHOS软件计算结果误差均小于1%,验证了新求解器的有效性和可靠性。

船舶排气热特征求解器开发及结果影响因素分析

为了分析船舶中排气羽流热和气体组分的流动特性,更好地揭示其热分布及红外辐射特征,以某现代常规动力船舶为例,基于开源软件OpenFOAM开发了recRhoSimpleFoam可压缩羽流热特征求解器,该求解器能够计算船舶羽流温度的热分布及各气体组分的分布特性,在此基础上分析不同网格数量、离散格式和边界条件对排气羽流温度和气体组分流动的影响。结果表明,网格划分精细度能够影响其数值模拟的求解结果,精细网格对于热特征的分析更为有利,离散格式和边界条件的改变对于其羽流温度的影响较小。该研究可为下一步流场的优化以及红外仿真工作提供参考依据。