数值反应堆堆芯与E级高性能计算的科学内涵

反应堆是一复杂的系统过程,是由中子场、温度场、流场、应力场、化学场等多个物理过程相互耦合的装置,这些物理场涉及从微观核反应到宏观能量释放的多尺度作用机理。随着E级(1 000PFLOPS,百亿亿次/每秒)计算机的问世,核能发展的总趋势正从传统工程驱动模式向以高性能数值模拟为主转变。当前四代堆设计立足小型化和精密化,高分辨率数值模拟对提升核装置性能和降低裕量作用突出。为研究解决当前模拟软件与计算机之间存在的浮点效率低、移植周期长、模式通用难和规模扩展难等问题的办法,突破软件和硬件之间存在的编程墙和性能墙,本文通过解读美国NEAMS、CASL和ECP计划,结合团队近年在数值反应堆和高性能计算关键技术突破方面的经验,提出基于并行中间件的集成共性、发展个性的技术路线,探索一条快速提升我国自主CAE软件整体水平的途径,供业内同行探讨,以在国产超级计算机上实现核装置的精细化建模和多物理、多尺度、多过程耦合计算。

发挥国家自然科学基金源头支撑作用的实践探索--以中物院软件中心为例

从重大应用需求中凝练科学问题,有效发挥国家自然科学基金(以下简称“科学基金”)源头支撑作用,服务国家创新驱动发展,是新时期科学基金的发展思路之一。文章介绍了中物院高性能数值模拟软件中心(以下简称“软件中心”)落实这一发展思路的实践经验。该中心作为科学基金项目依托单位面向国家重大需求,充分发挥需求牵引的独特优势,积极探索科学基金管理机制,坚持以问题为导向,深入提炼科学问题,加强应用基础研究,培养了科技创新人才,发挥了科学基金在满足国家重大应用需求的源头支撑作用。

DeepFlame:基于深度学习和高性能计算的反应流模拟开源平台

近年来,深度学习被广泛认为是加速反应流模拟的一种可靠方法。近期开发了一个名为DeepFlame的开源平台,可以在模拟反应流过程中实现对机器学习库和算法的支持。基于DeepFlame,成功地采用深度神经网络来计算化学反应源项,并对DeepFlame平台进行了高性能优化。首先,为了充分发挥深度神经网络(DNN)的加速潜力,研究实现了DeepFlame对DNN多卡并行推理的支持,开发了节点内分割算法和主从通信结构,并完成了DeepFlame向图形处理单元(GPU)和深度计算单元(DCU)的移植。其次,还基于Nvidia AmgX库在GPU上实现了偏微分方程求解和离散稀疏矩阵构造。最后,对CPU-GPU/DCU异构架构上的新版本DeepFlame的计算性能进行了评估。结果表明,仅利用单个GPU卡,在模拟具有反应性的泰勒格林涡(TGV)时可以实现的最大加速比达到15。

数值耗散对压气机流动分离涡模拟的影响研究

分离涡模拟DES是压气机流动模拟中常用的高保真湍流模式。为了使DES准确解析湍流,数值耗散必须限制在合理范围内。然而,当前的压气机流动DES类研究工作中仍然普遍采用高耗散的迎风格式。本文首先基于DES类方法计算的各向同性衰减湍流结果,定量比较了多种不同数值格式的耗散,证实了高耗散迎风格式严重低估中高波数湍流能量。高阶重构格式可以一定程度上改善该问题,但能量耗散仍然过高。本文在高阶重构的基础上,进一步引入自适应耗散函数修改Riemann求解器,构造了自适应耗散格式。该格式在全波数范围都能准确地预测湍流能谱。将该格式配合DES类方法模拟跨声速离心压气机流动,其预测的压比相比于三阶迎风格式,更加接近实验结果。此外,自适应耗散格式显著提高了中小尺度流动结构的分辨率。分析表明,在使用DES类方法模拟压气机流动时,有必要采用数值耗散较低的离散格式,以准确预测压气机总体性能和流动结构。本文构造的自适应耗散格式是一种良好选择。

芯片-系统电磁脉冲耦合的高性能全波电磁模拟

目的是研究高性能的电磁场仿真软件,对真实的芯片-系统电磁脉冲耦合过程进行高分辨率、高置信度的电磁仿真。研究重点是针对多尺度问题,突破算法的并行计算瓶颈。基于自主软件平台快速研发出仿真软件,在高性能计算平台上完成对真实复杂问题的全波电磁仿真。通过对某真实机箱内部芯片的电磁脉冲耦合仿真分析,验证了本文提出的算法的高性能、高效率的特性。

高性能计算在目标电磁散射特性分析中的应用

基于高性能计算的电磁数值模拟在目标电磁散射特性分析中发挥着越来越重要的作用.由于任一种数值方法都有一定的适用范围,不能高效处理所有问题,因此,有必要发展和集成多种数值方法,形成能够为不同类型问题的雷达散射截面(radar cross section, RCS)计算提供高效解决途径的软件系统.文中在并行自适应结构/非结构网格应用支撑软件框架之上,充分考虑数值方法的可扩展性以及物理个性的可分离性,通过基于机理、数据的混合可计算建模和接口设计,以及算法的模块化开发,发展了多种用于RCS计算的数值方法,并将其集成到高性能电磁数值模拟软件系统JEMS中.数值算例表明了JEMS具有高效分析多种目标电磁散射特性的能力,并在大规模并行计算方面具有显著优势.

面向高性能工业仿真的交互可视分析引擎

针对大规模仿真数据对仿真设计分析造成的前后连贯交互力弱、可视交互力低的问题,提出一个面向高性能工业仿真的交互可视分析引擎.首先构建可高效耦合几何模型和计算网格的三维混合数据模型;然后提出面向前后连贯仿真设计的并行可视分析流程;最后通过体网格外表面提取的图元数据轻量化方法,耦合GPU真实感绘制,以支撑实时高质量的仿真设计与分析.该引擎已集成到国产航空发动机仿真软件中,结果表明,可流畅地支持大规模仿真应用的设计分析,Trent-1000发动机模型数千万非结构网格的一键导入交互性能高出ANSYS商业软件8倍以上.

基于多绘制管线的大规模并行体绘制性能优化技术

针对数值模拟输出的大规模科学数据,体绘制方法为了刻画复杂物理特征,会进行高密度光线采样,但由此带来了极大的计算开销和数据增量。在国产自主CPU高性能计算机上,由于处理器单核的计算能力低于商业CPU,只能使用更多的处理器核来分担体绘制任务,从而引起了采样数据并行通信的可扩展性瓶颈。为充分利用国产自主CPU高性能计算机来高效完成体绘制任务,针对大规模并行体绘制提出一种基于多绘制管线的性能优化技术,通过多管线、多进程的两级并行模式来降低单条管线的并行规模。在大规模并行体绘制中,该技术将绘制目标图像划分成多个子区域,绘制进程则相应分组,每个进程组独立执行一条绘制管线,以完成图像相应子区域的绘制,最后再收集所有的图像子区域,形成完整图像并输出。实验结果表明,优化后的体绘制算法在国产自主CPU高性能计算机上可以扩展到万核规模,并能有效完成体绘制任务。

颅脑爆炸伤数值模拟研究进展:建模、力学机制及防护

爆炸致创伤性脑损伤是现代战争和爆炸事故中最常见的伤亡之一。近年来由爆炸波引起的轻度原发性颅脑冲击伤在士兵伤患中占大多数,引起了研究人员重视。由于伦理和技术方面的限制,人体爆炸实验难以开展,数值模拟已经成为研究颅脑爆炸伤的重要手段之一。合理的物理建模结合可靠的模型和参数,能够定量给出爆炸冲击波作用下人体头部和大脑的生物力学响应,揭示大脑损伤的力学机制,这些对于认识颅脑爆炸伤的生物力学特性以及单兵防护装备的设计和优化都具有重要的意义。本文旨在为研究人员提供有关原发性颅脑爆炸伤数值模拟方面研究现状的背景信息,以及在计算建模、力学机制和防护3个方面的进展。重点针对大脑的多尺度性质及颅脑爆炸伤的生物力学建模,介绍了脑组织的线弹性、超弹性和黏超弹性本构模型,人头有限元模型在大脑结构、网格尺寸等方面的发展和演化,以及颅脑爆炸伤的宏观、介观和多尺度建模和数值模拟方法。针对颅脑爆炸伤的波传播直接作用、脑血管系统的影响,以及全身响应的连续过程,分析和讨论了数值模拟得到的力学机制证据。介绍了颅脑爆炸伤防护策略的数值模拟研究进展,如提高头部封闭性的重要性、新结构和新材料的应用。最后,对当前颅脑爆炸伤的数值模拟研究和应用进行了总结,并确定了未来需要发展和改进的地方。

JEMS-FDTD软件在电磁脉冲区域传播数值模拟中的应用

电磁脉冲区域传播数值模拟是电磁环境效应分析的重要环节,面临空间尺度巨大、多辐射源、复杂地貌等技术挑战。本文介绍了三维时域全波电磁模拟并行软件JEMS-FDTD的研制进展。在大规模并行计算FDTD方法的基础上结合自适应网格技术,研制了一种适应于大区域电磁脉冲传播的高效时域全波计算方法。并基于该技术实现了千km 2级城市电磁脉冲区域传播的数值模拟,获取了全空间的时域电磁场信息,验证了软件在电磁脉冲区域传播仿真应用中的可行性。

一种面向数值模拟软件的持续集成平台

随着软件复杂度的增加和交付需求的变化,快速集成和自动部署成为高性能数值模拟软件推广应用的瓶颈。为满足软件构建和发布的差异化需求,简化从用户需求到软件发布的工作流程,基于Jenkins设计持续集成平台,实现软件静态审查、编译、测试和发布流程的自动化,全面记录软件构建日志和测试结果。利用Docker技术将构建环境容器化,实现环境的快速搭建和配置管理,满足多样化目标环境需求。该平台的实际应用效果显示,基于该平台的产品发布周期相比之前缩短约75%,可极大简化软件安装和部署难度。

一种面向舰船结构毁伤的大变形流固耦合数值计算方法

水下爆炸导致舰船结构毁伤是一个复杂的非线性大变形流固耦合过程,高精度的流固耦合计算是获得高置信模拟结果的关键。基于浸没边界思想,本文提出一种面向大变形壳理论的流固耦合数值方法,可精确刻画流固耦合界面并高效求解流固界面约束方程。基于该方法,本文提出了完整的适用于水下爆炸舰船结构毁伤的大变形流固耦合数值计算方案,并基于大规模并行编程框架,研发形成适用于舰船结构毁伤的流固耦合大规模并行计算软件。与泰勒平板理论解和水下爆炸结构冲击响应实验数据等进行对比表明,本文方法可有效模拟大变形流固耦合工程问题,具备较高数值求解精度。在此基础上,完成了水下爆炸整船结构毁伤过程大规模数值模拟。该方法可有效应用于舰船毁伤等级评估,应用前景广阔。

局部标架的共旋Timoshenko梁单元多体动力学数值特性分析

多柔体系统的动力学过程不仅包含结构大范围刚体运动带来的几何非线性,也存在大变形导致的几何非线性.近年来,基于李群局部标架的建模方法(local frame of Lie group,LFLG)被验证可与各类建模方法结合,能够消除刚体运动带来的几何非线性.同时,大变形导致的几何非线性也将随着空间离散加密逐渐减弱.由此,LFLG可消除多柔体系统中部件的几何非线性,刚体与柔性体惯性力、内力及其Jacobian矩阵均满足刚体运动的不变性,可有效减少单元Jacobian矩阵更新次数.但由于多体系统还广泛存在约束及载荷的非线性,LFLG方法在实际应用中是否能够提升系统整体的Jacobian矩阵复用效率尚未进行深入探讨.并且,多柔体系统通常采用变阶变步长时间积分策略求解动力学方程,算法阶数以及时间步长变化也将导致多体系统Jacobian变化,加剧了系统Jacobian复用难度.为客观分析LFLG方法在实际仿真中的数值特性,文章首先以共旋坐标建模方法为例,给出了基于李群局部标架的三维Timoshenko梁单元建模方法.较于几何精确建模、绝对节点坐标等方法,该方法能够最大复用小变形有限元方法的单元算法,可降低单元开发难度;其次,搭建了LFLG方法的变阶变步长BDF(backward difference formula)与变步长广义α积分器的计算流程,并针对小变形与大变形两种工况,分析单元弹性力及阻尼力几何非线性特性,对比Jacobian复用效率;最后,通过与全局标架算法对比,分析局部标架方法与全局标架建模方法的数值特性.

基于领域分析的结构线性静力软件串并行一致化方法

并行CAE软件的计算结果串并行一致性是其计算结果可信的必要条件。然而,软件研发时常引入串并行不一致缺陷,其形式众多,现象相互耦合,散布于海量代码中,成为实现CAE软件串并行一致性的挑战。文中以结构线性静力软件的串并行一致性需求为切入点,针对现有的“专家知识法”与“缺陷定位法”应用于CAE软件串并行一致化时存在的粒度粗、准度差、成本高和缺乏系统性问题,引入领域分析方法,并与专家知识和数据流状态比对结合,提出了一种适用于结构线性静力的串并行一致化方法,实现了结构线性静力软件串并行不一致缺陷的细粒度、高准度与低成本系统性识别与修复。基于前述方法形成相关工具,并将方法与工具应用于SSTA的串并行一致化,识别并修复其中8处串并行不一致缺陷,使其通过90余真实模型的串并行一致考核,并实现串并行结果严格一致;同时,该方法与工具还将串并行不一致缺陷定位耗时由平均大于两人天降低至数人时。

计算电磁学及其在复杂电磁环境数值模拟中的应用和发展趋势

概述计算电磁学的发展历程及其数值方法,并从学术研究、商业软件以及专用软件三个层次论述国内外研究的最新进展.结合复杂电磁环境的应用介绍复杂电磁环境数值模拟平台的研究现状,最后提出未来发展趋势的几点设想.

神光Ⅲ主机装置内爆中子和伽马辐射特性的数值模拟

采用三维中子-光子耦合输运蒙特卡罗程序JMCT,对神光Ⅲ主机靶场进行精细几何建模,使用该模型通过计算获得了DD内爆聚变中子及伽马射线在靶场环境的空间分布以及能谱和飞行时间谱。根据计算结果对散射中子和伽马射线的特性进行了讨论,并定量分析了散射中子噪声和伽马噪声分别对下散中子产额测量和高能X射线照相的影响。研究结果表明:必须进行有效的辐射屏蔽设计才能使下散中子产额测量和高能X射线照相的信噪比优于10。

RDX基PBX药柱烤燃过程的数值模拟

为合理评估炸药的热安全性,采用自主编写的有限元软件—"含能材料动态响应数值模拟软件",对黑索今(RDX)基高聚物粘结炸药(PBX)药柱的烤燃过程进行了数值模拟,实现了炸药多步热分解反应的动力学过程。探索了点火区域各组份质量分数随温度的变化规律。结果表明,400 K时,初级热分解反应开始加速,450 K时次级分解反应明显发生,至460 K时,第三步热分解反应开始加速,气体终产物逐渐积累,当气体终产物质量分数为0.006%时,发生点火。此外,随着升温速率增加,炸药点火时间急剧衰减,中心点温度下降。

基于FDTD的时域混合方法及其在天线前门耦合数值模拟中的应用

强电磁脉冲环境下的平台-机载天线一体化耦合计算属于典型多尺度时域电磁计算问题,采用传统的FDTD方法数值模拟时,由于精细结构的存在导致网格量巨大,计算效率低下。介绍了一种将非均匀FDTD方法与细导线FDTD方法以及多网格集总元件FDTD方法相结合的时域混合方法,能够有效降低计算开销,结合并行计算技术,快速计算得到天线端口上耦合产生的瞬态电压和电流响应,并将该方法成功应用于无人机平台-天线一体化前门耦合数值模拟中。

面向效应场数值模拟的颜色映射自动调优框架

在科学计算的效应场数值模拟中,变量数据的数值分布通常极不均匀,且存在大量背景噪声.针对传统数据到颜色的可视化线性映射难以获得清晰的物理特征的问题,提出一个基于颜色控制点自动调优的颜色映射框架.首先基于信息熵和高斯混合分布自动去除背景数据,然后基于累积分布函数自动调整颜色控制点位置,再基于分段亮度参数增强颜色表感知辨识性,最终生成自适应数据分布特征的颜色映射.采用爆轰冲击波、电磁辐射和高功率微波3类典型效应场模拟数据的实验结果表明,相比线性映射方法,所提框架能够获得具有高质量细节特征的可视结果,颜色辨识性可提升一个数量级,该框架是有效的.

典型笼状含能材料晶体早期冲击反应的从头算分子动力学模拟

笼状骨架赋予含能分子额外的应变能和结构稳定性,有望优化含能材料高能量密度和低感度之间的问题。但笼状含能晶体在冲击波刺激下的化学反应机理尚不清晰,亟需从笼状骨架调控、单分子分解、晶体集体响应3个层次开展系统研究。为此,研究以具有平面分子结构的三氨基三硝基苯(TATB)作为参考体系,对比了具有笼状结构的八硝基立方烷(ONC)、六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)和4,10-二硝基-2,6,8,12-四氧杂-4,10-二氮杂四环十二烷(TEX)体系,开展了ONC、CL-20、TEX晶体结构在8~11 km∙s^(-1)冲击波作用下的演化并进行了从头算分子动力学模拟。模拟结果表明,含能晶体的冲击感度排序为ONC>CL-20>TEX>TATB,通过与冲击波/撞击感度的文献试验数据对比进行了验证。反应机理表明:(i)异伍兹烷骨架中的富电子氧/氮促进了离域效应,适中的空间自由度赋予其弹性变形能力,加强了笼状骨架的结构稳定性,延缓了冲击反应进程;(ii)基于异伍兹烷的笼状分子分解时,硝基的脱落先于笼状分子的坍塌发生,游离的硝基与其他中间产物的排斥作用阻碍了分子间的团聚,进一步延缓了反应进程;(iii)分子间氢键在冲击压缩时发生高塑性变形,将冲击波能量转化为分子间排斥势而储能,从而提升材料吸收冲击波能量的阈值,延迟反应发生时间,降低冲击感度。研究提出,电子离域效应增强,空间自由度适中的异构笼状骨架及丰富的分子间氢键均有望降低冲击波感度,为新型高能钝感含能材料的设计提供理论参考。