SAPTIS：结构多场仿真与非线性分析软件

SAPTIS程序是以有限单元法为基本方法的仿真计算程序,本文通过对有限元并行化关键技术的讨论给出了SAPTIS程序的并行策略,介绍了SAPTIS软件方程组求解部分的三种并行化方式：（1）对原有PCG求解器基于OpenMP进行了较细粒度的并行化实现;（2）基于MPI环境对SAPTIS丰富了Krylov子空间类方法及多种预条件技术的并行求解器;（3）基于OpenMP环境丰富了稀疏直接解法的并行求解器。测试结果表明,三种并行化方案求解效率都很高,各有特色,丰富了SAPTIS的求解功能。此外,GPU求解功能也正在开发之中,这也将使SAPTIS程序的求解功能更强大,适用性更好。     

河口水沙数学模型的并行化研究

为了提高河口水沙数学模型的计算速度,通过基于共享内存的OpenMP和基于区域分解的消息传递模型（MPI并行）两种并行方法,将串行的河口水沙数学模型并行化。将并行模型应用到钱塘江河口潮流泥沙运动模拟实例中。结果表明,该并行模型能大大提高计算速度。其中,OpenMP方法并行效率较低,而基于区域分解的MPI并行有很好的加速效果,在64个处理器上加速比可接近36,具有较大的推广价值。     

复杂工程力学高性能应用软件系统研制进展

2016年科技部发布了"十三五"高性能计算重点研发计划专项项目,资助支持E级高性能计算机系统、高性能计算应用软件、高性能计算环境等的研制研发,其中"复杂工程力学高性能应用软件系统研制"是水利行业承担的唯一项目。该项目面向E级(每秒百亿亿次,1018 FLOPS)计算,研制一套涵盖静动力学分析、模态分析、冲击分析、材料损伤与破坏分析、非连续性分析等的"复杂工程力学高性能应用软件系统",突破100亿自由度计算规模,实现国家重大科技专项中复杂工程装备系统的典型力学响应行为分析,实现我国典型大型土木工程和大型水利工程抗重大自然灾害和全生命周期中抗疲劳损伤的力学综合性能评估,获得与实验一致的模拟结果。包含四项基本关键技术:(1)适应于高性能计算的高置信度物理建模与高精度计算方法;(2)复杂几何结构超大规模非结构网格的高可扩展建模技术;(3)连续-非连续复杂物理过程高精度模拟技术;(4)面向工程力学问题的十亿亿次高效求解技术。目前,完成了工程力学软件SAPTIS和PANDA的基于JAUMIN框架编程的高性能并行化工作,丰富了求解方法和模型,并且针对三峡水利工程和光机装置等应用完成了初步测试,测试结果显示加速效果明显,计算精度高,为项目最终目标的达成奠定了坚实基础。     

基于非结构网格求解换热器流场的并行计算

该文利用基于非结构化网格的有限容积方法，对两种典型结构换热器内的冷态流场进行了数值模拟，分别给出了换热器内管组对齐排列和交错排列时的流体速度场、压力场和湍动能分布，并对这两种不同管组布置结构的流场进行了比较和分析。其中，采用Delaunay三角化方法在多连通区域内生成非结构化网格，并采用SIMPLE算法离散流动问题的控制微分方程，由此形成的线性代数方程组中的稀疏矩阵则通过并行化的GMRES算法在PC机群上进行多机并行求解，且并行编程环境为基于PC网络分布式内存模式的MPI。实际应用表明：基于网络并行的GMRES算法能获得较高的加速比和效率。     

平面二维非均匀泥沙OpenMP并行计算模型

为实现平面二维非均匀泥沙模型并行计算,采用OpenMP指令对串行源程序进行改造。基于三角形-四边形混合网格的平面二维非均匀泥沙有限体积模型具有显式求解时网格单元相互独立性这种特性,Fortran串行源程序无需进行较大的修改,只要在循环计算和数组整体操作部分嵌入OpenMP循环并行指令和数组并行指令,即可实现并行计算。案例分析结果表明,在并行线程数目等于计算机固有线程数目时,并行加速比达到最大值1.55;OpenMP技术使用线程间共享内存的方式协调并行计算,很适合在多核计算机上运行,且编程简单灵活,将随着计算机硬件性能的提高得到更广泛的应用。     

基于多核处理器的平面二维水沙运动数值模拟技术研究

该文研究了基于多核处理器的平面二维水沙运动数值模拟技术,采用OpenMP并行编程标准对基于单核处理器的计算程序进行了优化,开发了基于多核处理器的计算程序.长江塔市驿河段的验证成果表明:在双核处理器上多核程序的计算速度同单核程序相比提高约47%,虽然程序并行造成离散方程组的收敛过程与单核程序略有差别,但迭代收敛后其计算结果无明显差别,且与实测成果吻合较好.     

基于GPU-CUDA并行的虚拟网格有限差分法求解器

基于CPU/GPU异构体系架构的流体力学并行计算已经成为当前CFD研究领域的重点之一。该文自主开发了一高效虚拟网格法并行求解器以模拟绕动边界的不可压缩流动问题,基于GPU的计算统一设备架构(Computing Unified Device Architecture,CUDA)并行编程模型对该求解器进行加速。该文模型采用有限差分法在交错直角网格上求解不可压缩Navier-Stokes方程,采用虚拟网格通过在浸入边界内布置有限数量的虚拟网格(固体内部但邻近流体的网格)以计及浸入边界对流场的影响。通过合理分配线程块内线程数量,减少主机与设备之间的数据通信,充分利用共享内存和高效求解泊松方程,提高并行效率。为验证该并行求解器的精度和效率,对静止流体中二维振荡圆柱和三维振荡球体算例进行模拟,研究发现：GPU并行求解器相比于CPU串行求解器在不同网格上均获得至少一个量级的加速比,且网格数量越多,加速效果越好,在二维细网格上获得100倍以上的加速比,在三维较细网格上获得超过4 000倍的加速比。     

分布式水文模型时空离散化并行计算方法研究

时空离散化并行计算是一种效率较高的并行计算方法,但以往的研究主要基于MPI框架和多树编码规则。为了使应用广泛的Pfafstetter编码的分布式水文模型实现时空并行计算,采用OpenMP编程模型,为WEP-L分布式水文模型汇流过程设计了基于Pfafstetter编码的分层模拟单元方法和时空离散化方法。首先分层模拟单元方法根据Pfafstetter编码规则建立子流域拓扑表,使子流域按照从上游到下游的顺序进行分层,然后在此基础上考虑时间因素重新分层实现时空离散化,最后将同一层中时间及空间上互不影响的子流域模拟任务分配给不同的线程实现并行计算。选取黄河流域作为研究区域,在不同线程条件下对并行效果进行了测试,结果表明,汇流并行化提高了模型模拟效率。基于20核的CPU,仅考虑分层模拟单元方法时,加速比最大为4.14,而采用时空离散化方法时,加速比能够达到8.17。     

基于三种方法的螺旋桨敞水性能数值预报

该文基于三种不同的CFD方法:多重坐标参考系法(MRF)、任意网格界面元法(AMI)和重叠网格方法(Overset)对某一四叶螺旋桨的敞水性能进行数值模拟和预报,并对螺旋桨周围的流场进行了分析。其中,对于任意网格界面元法(AMI)与多重坐标参考系法(MRF),分别采用开源CFD计算软件Open FOAM所提供的求解器pimple Dy MFoam与MRFSimple Foam进行计算;对于重叠网格方法(Overset),采用基于Open FOAM平台开发的具有重叠网格模块的船舶与海洋工程水动力求解器—naoe-FOAM-SJTU进行求解。通过与试验结果的对比以及方法间的比较,验证了三种方法在螺旋桨敞水性能预报中的可靠性和有效性,并总结了各方法的特征与优劣。同时也对螺旋桨附近的流场特征进行了讨论与分析。     

基于Linux机群的大型结构并行有限元系统研究

有限单元法在很多领域得到了应用,但对于大型和复杂结构,串行有限元程序很难有效地解决。研究了在PC机群上进行大规模并行有限元计算,以更好地发挥有限元在实际工程中的应用。组建了基于Linux系统的高性能并行计算机群。采用基于区域分解和预处理共轭梯度法来实现方程组的并行求解。基于以上方法,用C++、FORTRAN和MPI编程方法开发了并行有限元程序ADVPFEM。对龙马面板堆石坝的简化模型进行了线性三维有限元并行计算,得到了较好的效果。     

基于Fork/Join多核并行框架的梯级水库群优化调度

为了满足大规模梯级水库群优化调度精细化管理需求,解决决策计算耗时长及求解效率低等困难,提出了基于Fork/Join多核并行框架的梯级水库群优化调度并行求解方法,并以离散微分动态规划方法并行化为例,给出了梯级水库群优化调度方法在Fork/Join框架下的并行化实现方式。红水河大规模梯级水库群长期发电优化调度测试结果表明,并行计算能够充分发挥多核处理器的加速性能,有效缩短计算耗时,提高求解效率;选择合理的Fork/Join框架规模控制阈值是充分发挥并行优势的关键因素。     

SAPTIS:结构多场仿真与非线性分析软件开发及应用(之四)

本文重点介绍大型结构多场仿真与非线性分析软件SAPTIS的水管冷却模拟功能及其在工程的应用情况,SAPTIS软件可提供等效算法和精细算法两种模拟水管冷却效果的功能,文中分别从平面二维和空间三维的角度对比分析了等效算法和精细算法的异同点所在,等效算法可以从平均意义上模拟水管冷却效果,具有计算简单、规模较小的特点,而精细算法则可以以较高的精度模拟出水管周边的温度分布,但需要进行精细网格剖分,计算工作量大。因此,相对而言,等效算法在工程中的适用性更好,应用也更为广泛;文中最后简要介绍了水管冷却模型在国内几个特高拱坝中应用的实例。     

变速运动锥体超空泡形状分析与预测

研究了锥体空化器变速运动时非定常自然超空化流问题。基于势流理论,通过在对称轴上分布奇点(源和汇)的方法,建立了变速运动超空泡的积分方程。应用时间有限差分离散化方法,对问题进行了数值求解。分析了锥体空化器在做变速运动时(如速度脉冲变化、加速或减速等),超空泡长度和形状的非定常变化规律。同时,对基于本文方法得到的结果与已有理论的计算结果作了定性比较。本文的分析和预测结果可望为水下航行体空化器的分析与设计起到指导和数据参考作用。     

基于致动线模型的风力机尾流场数值模拟

本文基于致动线模型求解三维Navier-Stokes方程的方法,对NTNU的"BlindTest1"风力机尾流场进行了数值模拟。该方法避免了求解实际叶片的表面边界层,无需使用动网格,从而大大降低了网格量和计算时间,非常适用于尾流场的模拟。该文所有计算均基于OpenFOAM自定义的求解器ALMpisoFoam。推力和功率的计算值与实验值吻合得很好,验证了求解器的正确性。3个典型叶尖速比下的轴向诱导因子、湍动能和尾涡结构等也在文中进行了简要分析。     

基于ANSYS的大体积混凝土温度场计算程序开发

目前大多温度场计算程序均存在一定的缺陷,基于ANSYS的完备前处理功能、强大求解器、方便后处理和良好开放性等优点,提出在ANSYS平台的基础上开发出适用性更强的计算大体积混凝土结构温度场的仿真程序,并对此进行了论证.利用开发出来的温度场计算程序,根据坝体碾压混凝土实际浇筑进度及热力学参数对其进行仿真计算,并将计算成果与...     

冲击式水轮机折向器方程的探讨

针对单喷嘴冲击式水轮机,在已成熟的混流式水轮机水电站过渡过程计算理论的基础上,引入折向器的调节因素,提出了两种大波动过渡过程求解的方法,即依据出力求解和依据转矩求解.依据转矩求解时只要厂家提供详细的机组特性曲线(即折向器开度、针阀开度与转矩间的关系曲线)即可得出准确的结果,而依据出力求解则需要引进折向器方程,即射到水斗上的流量与折向器开度间的关系函数.因此又从折向器动作的物理本质和冲击式机组特性曲线入手推导出折向器方程,并以一工程实例为依托,对两种方法进行计算对比分析,验证了折向器方程及两种大波动计算方法的合理可靠性.     

基于EBE-PCG方法的非线性有限元并行算法

随着水利工程建设的发展,对水工结构动力安全分析的要求越来越高,数值分析规模越来越大,对水工结构非线性分析的求解效率的要求越来越高,并行算法是提高求解效率的一种有效手段。提出了结构矩阵的EBE-PCG的并行迭代求解算法,该方法采用总刚的对角元矩阵形成预处理矩阵,应力更新时的本构积分可直接在单元级别上分组进行。在MPI并行编程环境中,在单机上以多进程模式实现了结构弹塑性问题的并行求解,可以极大提高非线性问题的求解效率。     

CFD计算分析水下潜器运动阻力性能

在水下潜器的水动力性能数值模拟中,为了计算其静水阻力,研究尾部的分离流动,同时出于计算资源的考虑,常尝试使用混合RANS/LES方法。分离涡模拟(detached-eddy simulation,DES)方法是其中较常见的一种。基于剪切应力运输(shear stress transport,SST)模型的DES方法在近壁面区域采用基于SST模型的RANS方法,而在其他区域采用基于亚格子模型的LES方法。该文分别应用naoe-FOAM-SJTU求解器中SST-DES方法和SST-RANS方法模块,对水下潜器的水动力性能进行数值模拟,对比分析了两种方法计算得到的静水阻力和时均、瞬时流场,结果表明SST-DES方法能较好地模拟出水下潜器的流动分离现象。     

粒子群算法和ADINA在土石坝参数反演中的联合应用

针对土石坝的反馈分析问题,采用Fortran语言编程,实现了粒子群优化算法与商业有限元软件ADINA之间的无缝连接,使整个计算过程自动化;应用OpenMP方式同时调用多个ADINA求解器,启用多核处理器进行并行计算,提高了计算效率。以糯扎渡超高心墙堆石坝为例,对粗堆石料Ⅰ区材料应用不同种群规模粒子群进行参数反分析,结果表明,将粒子群算法与ADINA联合应用于土石坝参数反演是可行的,并行算法也具有明显的优越性。     

梯级水库群优化调度并行自适应混沌整体退火遗传算法

为了充分利用当今流行的多核配置资源提高梯级水库群优化调度的精细化管理水平,提出梯级水库群优化调度并行自适应混沌整体退火遗传算法。该方法利用Fork/Join多核并行框架的分治法将自适应混沌整体退火遗传算法的初始种群递归分解为多个规模更小的子种群,并平均分配到不同的内核中同时进行优化计算,实现算法的粗粒度并行求解。红水河梯级水库群发电优化调度实例结果表明,该方法比串行计算能大幅度缩减优化求解时间,提高计算效率,而且其并行化设计模式可为其他群体智能算法的并行化提供参考和借鉴。