JASMIN框架中联邦并行计算及其在多物理耦合中的应用

多物理耦合是一类普遍的复杂应用问题。并行计算时,在充分考虑各个物理过程的基础上,还需要在不同物理过程之间建立数据依赖关系并交换物理量值。这无论对并行算法设计,还是对并行编程实现来说,均具有较大的难度。JASMIN框架提供联邦计算功能,很好地封装和实现了单层结构网格上的多物理耦合并行计算。该功能实际应用于激光聚变和地球系统模式等领域,支撑研发了多个应用程序,可以有效使用成千上万个处理器核进行数值模拟。

稠密可压缩气粒两相流动中的等熵声速计算建模及物理规律

气体相与颗粒相混合流场的声速研究,由于具有重要的基础理论价值与广泛的工程应用背景,逐渐受到人们重视.针对稠密可压缩气粒两相流动,综合考虑颗粒相所占空间体积以及颗粒间相互作用,推导给出了新的等熵声速计算公式;新公式包含了已有的纯气体、稀疏气粒两相流情形的计算公式作为其特例,一方面验证了公式推导的正确性,另一方面说明新公式更具有通用性;分析了不同颗粒质量分数条件下的声速变化规律,相应结果与普朗特的理论分析符合,特别对于稠密气粒两相流动工况得到了一些新的物理认识;开展了颗粒间相互作用建模参数的物理分析,揭示了其对气粒两相流动声速的影响机理.本文取得的成果为稠密可压缩气粒两相流动研究以及相关工程应用提供理论支撑.

JASMIN框架中多块结构网格拼接并行计算及其应用

基于JASMIN框架,本文设计了多块结构网格拼接的并行算法并研制了相应的软件模块。该模块设计实现了网格块间关系统一描述算法,及网格片间统一通信调度策略,从而有效解决了多块结构网格拼接并行计算中的通信性能瓶颈问题。同时,该模块封装了数据分布存储、数据通信等并行计算细节,提供了规范接口,能够支撑用户简便地实现多块结构网格拼接并行计算。数值测试表明,该模块具有很好的并行性能,可以支撑应用程序扩展到上千核。

松弛方法在计算凝聚炸药爆轰问题中的应用

利用松弛近似,将非线性的凝聚炸药爆轰控制方程转化为线性的松弛方程组,并采用五阶WENO格式和五阶线性多步显隐格式对线性松弛方程组进行空间方向和时间方向的离散,由此建立具有高精度和高分辨率性质的计算凝聚炸药爆轰的松弛方法。建立的松弛方法可以避免求解Riemann问题及计算非线性通量的Jacobi矩阵,同时无需分裂处理反应源项。通过对凝聚炸药的平面一维定常爆轰波结构及球面一维聚心、散心爆轰起爆和传播过程的数值模拟,验证了所建立的松弛方法能够很好地计算凝聚炸药爆轰问题。

相场模拟研究AZ31B镁合金的动态再结晶

镁合金被广泛应用于材料科学、航空航天及军事装备等领域。实验发现,镁合金材料在动态加载下的力学响应与介观尺度不连续动态再结晶紧密相关。为此,构建了镁合金动态再结晶的相场模型,以AZ31B镁合金为研究对象,模拟了不同温度(250~400℃)、低应变率(0.01~1.00 s^(-1))加载下的不连续动态再结晶演化过程。再结晶相场模型耦合了塑性应变,实现了应力-应变曲线与再结晶组织演化的迭代求解。模拟发现,再结晶晶粒的体积分数和平均晶粒尺寸随温度的升高而明显增大,随应变率的增大而减小。

非平衡与多相复杂系统模拟研究——Lattice Boltzmann动理学理论与应用

在自然界和工程物理领域存在大量的非平衡、多相等复杂系统和复杂行为。Lattice Boltzmann(LB)方法起源于复杂系统复杂行为研究的格子气或元胞自动机模型;其中,现代版的Lattice Boltzmann Kinetic Model(LBKM)植根于非平衡统计物理学的基本方程—Boltzmann方程。本文从物理学视角评述LB方法,给出单松弛因子和多松弛因子LBKM构建的统一理论,介绍其在非平衡与多相复杂系统研究方面的应用。简单列举LB在多相流、可压流、材料动理学等方面的进展,重点介绍使用LB研究流体界面不稳定性、燃烧等问题的工作。本文所重点传递的信息为:可以通过宏观量研究系统的非平衡行为、可以提供系统偏离热力学平衡引发的宏观效应是LBKM建模优越于宏观连续介质建模的地方;除了可以从更基本的层面理解相应物理系统的特征、机制和规律外,这类研究结果可以为现有程序或软件中宏观模型的改进(例如修正项的构造)提供物理参考。

BNCT人头体模内剂量分布计算

用修正的Synder人头体模几何模型和ICRU—46中的材料数据,用MCNP-4B程序对0.0253eV、1keV、2keV、10keV、100keV、1MeV单能中子束,0.2、0.5、1、2、5、10MeV单能光子束,以及与当前硼中子俘获治疗(BNCT)临床中使用的超热中子相似的超热中子束,计算了在人头体模中的剂量分布,计算结果与有关文献报道的结果一致,初步校验了我们正在编制的BNCT治疗计划软件。

热传导方程三层并行差分格式初始条件的计算

给出二维热传导问题的三层差分格式初始条件的一种显式计算方法,对于由此形成的内边界预估校正三层并行差分算法,证明稳定性和收敛性定理.并行数值试验表明,方法稳定,且与通常采用隐式格式计算初始条件的方法相比,易于程序实现;与已有的扰动算法相比,能大幅度减小误差.

碳原子离子光电离截面的相对论多极计算

基于Dirac-slater自洽场方法，本文计算了C元素各价离子从低能到高能的光电离截面，考察了多极效应、相对论效应在不同能区对光电离截面的影响，并研究了光电离截面随光子能量、电离度、不同壳层变化的规律．通过各种理论计算结果的比较，分析了Kramers公式的适用性，计算中为了提高计算精度，我们采用了Grasp2程序包输出的束缚态波函数替换自洽场的波函数。

计算钝感炸药爆轰过程的一种新反应率模型

根据钝感炸药爆轰过程中含有激化过程和慢反应,建立了一种新的反应率模型。与其他反应率模型相比,这种反应率模型可以应用于较粗的网格。在每厘米50个网格条件下,炸药驱动铝飞片和钽飞片的自由面计算结果与实验结果很接近。同时,应用此反应率模型计算了钝感炸药驱动LiF过程,在每厘米50个网格的条件下,炸药与LiF间速度的计算值同实验值接近,且误差随网格尺寸变小而变小。这些表明,此反应率模型能够在较粗的网格条件下,比较准确地描述钝感炸药驱动飞片过程,有利于在工程实际中应用。

地下水流模拟参数估值的并行计算

为解决大规模地下水流数值模拟参数估值计算时间过长的问题,基于粗粒度任务分解方法,采用消息传递接口（message passing interface,MPI）实现地下水流模拟程序MODFLOW中参数估值灵敏度分析部分的并行。利用多个分区规模的模型验证并行程序的正确性和有效性,对不同参数规模下的加速比情况进行分析,分析结果表明,对16个参数问题进行参数估值,并行程序在1~16个进程下得到了1.74~8.32的加速比,在8进程下取得了5.91的超线性加速,有效提高了地下水流数值模拟参数估值计算速度。

辐射输运与电子能量强耦合源项的一种高效计算方法

本文研究辐射输运和电子能量耦合方程组的数值方法.在具有光性厚特征的应用问题中,这两类方程的耦合源项表现出强刚性,使得设计稳健高效的数值格式陷入困难.针对辐射输运多群模型和电子能量的耦合方程组的刚性源项,我们给出一种基于电子温度变化规律拟设(ansatz)的积分算法,其时间步长不受刚性源项限制,从而使得计算效率比传统显式方法或隐式非线性迭代获得本质的提高.在所基于的拟设有效时,算法确保给出具有物理意义的解,数值算例显示其给出的解具有较高的精确度.

计算流体力学的时空观:模型的时空关联性及算法的时空耦合性

流体力学中波的有限传播、粒子的碰撞、各种力之间相互作用,无不体现时空关联效应。本文从计算方法的视角探讨计算流体力学的时空观,即流体力学模型的时空关联性和计算方法的时空耦合性。从流体力学微团法建模出发,明确模型时空关联性的涵义,建立有限体积格式的基本原理,阐述算法时空耦合的必要性,实现流体力学基本控制方程物理建模与有限体积格式数学原理的统一。在实践中,给出时空耦合高精度数值方法设计思路,利用算例比较它与时空解耦方法的差别。期望通过时空观的建立,对未来计算流体力学的算法研究提供帮助。

通过包络面重构的大规模粒子并行绘制算法

针对大规模粒子高表现可视化需求,提出基于包络面重构的大规模粒子并行绘制算法。该算法以连续曲面的形式表示,绘制大规模粒子的团簇表面及其物理量分布。对算法进行了分布式并行化,从而可以通过大规模并行来处理亿以上规模的粒子数据。在算法实现上,还解决了并行计算时的块间裂缝问题,并提出了快速查找邻域粒子的方法,同时,基于可见性对粒子数据进行剔除,提高了绘制效率。由此,可以通过带光照效果的光滑曲面来高表现展示大规模粒子数据中的团簇结构及其物理量分布。实验结果表明,该算法在512核上可在5 s内完成上亿粒子的绘制,并行效率可达60%。该算法已成功应用到大规模并行非平衡分子动力学模拟等实际模拟应用中。

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。

燃烧系统的离散Boltzmann建模与模拟研究进展

燃烧系统的诸多模拟依托于流体建模,离散Boltzmann方法(discrete Boltzmann method,DBM)是近年来发展起来的一种新的流体介观建模方法.本文简要评述DBM发展的两个方向——Navier-Stokes等偏微分方程的数值逼近解法和复杂系统的微介观动理学建模.主要介绍在燃烧系统模拟方面DBM已有的工作、新近的思路、与传统流体建模的异同以及近期的研究成果.本文重点传递的信息为:作为复杂系统微介观动理学建模出现的DBM在模拟过程中同时给出"流动"及其相伴随的、关系最密切的那部分"热动"非平衡效应;它为燃烧等复杂系统中各类非平衡行为的描述、非平衡信息的提取、非平衡程度的度量提供了一种简洁、有效的方法;它所提供的热动非平衡测量量有两类:一类是直接比较分布函数和平衡态分布函数的动理学矩关系得到的,一类是来自于Chapman-Enskog多尺度分析给出的热传导和黏性项.基于第二类DBM,可以实现(燃烧等)一大类复杂流体系统的多尺度物理建模.

相分离过程的离散Boltzmann方法研究进展

概述相分离过程的离散Boltzmann方法研究进展.这部分研究内容,根据系统的成分,可分为单介质的两相分离和多介质的相分离;根据物理建模,可分为基于传统流体模型的LBM(lattice Boltzmann method)数值模拟和相分离系统的动理学建模与模拟;根据研究的侧重点,可分为方法(模型)研究和相分离过程研究.离散Boltzmann模拟所提供的非平衡行为特征为区分相分离的两个不同阶段提供了一个简洁、有效的物理判据,可用于不同类型界面的甄别与追踪技术设计.

爆轰波对碰驱动平面锡飞层的动力学及动载行为特征研究

强冲击下的物质变形、破坏及诱发的轻重介质混合问题,是内爆压缩科学和工程应用领域的研究重点.本文针对爆轰波对碰条件下的复杂加载动力学过程及其动载破坏形态特征,开展数值模拟研究与极曲线理论分析.设计了爆轰波对碰驱动平面锡飞层的计算模型,获得了爆轰加载动力学过程及波系相互作用物理图像,分析了锡飞层对碰区自由表面速度历史的典型特征.给出了锡飞层中折射激波对碰发生马赫反射的临界条件,解读了三波结构的传播行为,阐明了对碰区内存在"一维正冲击"区域,一维区外存在单次斜冲击向两次斜冲击过渡的复杂加载动力学过程,提出了对碰区冲击动力学模型,揭示了影响对碰区动载行为特征的机理.数值模拟结果与极曲线理论分析结果相互印证,符合较好.本文的研究成果,将为深入理解和解读对碰区特殊的物质破坏及混合现象提供重要的理论支撑.

模拟微观世界:从薛定谔方程到大原子模型

随着人工智能技术的飞速发展,其与物理建模的结合为微观尺度的科学研究带来了革命性的工具。文章介绍了从薛定谔方程出发的量子力学近似求解方法到大原子模型(LAM)的发展历程,并特别关注机器学习技术在原子尺度模拟中的应用。文中首先讨论人工智能与物理建模结合的理论基础,随后深入分析这一结合在原子尺度模拟中的实现方式,包括机器学习模型的构建和训练策略。还探讨了数据积累、软件工具和工程基础设施对推动该领域进步的重要性,并展望了大原子模型在未来科学研究和工业应用中的潜在影响。通过不断的技术创新和跨学科合作,大原子模型将在材料科学、化学工程、生物技术等多个领域发挥重要作用,推动科学研究和工业应用进入新的发展阶段。

非对称冲击-卸载实验中纵波声速的特征线分析方法

材料高压声速是获取材料在冲击下的剪切模量、强度和相变信息的重要物理量,对于研究材料在高速冲击下的行为非常重要.由于飞片、样品和窗口材料阻抗失配等因素,传统的声速分析方法无法对非对称冲击-卸载实验中单样品的窗口界面速度进行准确的分析.本文在反向特征线方法的基础上,考虑了飞片与样品、样品和窗口界面的相互作用,建立了适合于仅含单一厚度样品的非对称冲击-卸载实验的特征线声速分析方法,通过对数值实验给出的速度剖面的分析表明,该方法能够较为准确地获得待测材料高压下的声速及卸载路径.