大規(guī)模并行流固耦合模擬軟件平臺(tái)

應(yīng)用領(lǐng)域和功能范圍大規(guī)模并行流固耦合模擬軟件平臺(tái)（簡(jiǎn)稱模擬平臺(tái)）是一個(gè)涉及計(jì)算數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、大規(guī)模并行計(jì)算、軟件工程等多個(gè)學(xué)科交叉的大型軟件工程。最初基于武器化爆安全性的研究需求而開發(fā)，經(jīng)過(guò)多年功能完善和擴(kuò)展，目前可應(yīng)用于化爆安全，武器毀傷能力，油氣管道安全性等國(guó)防和工程領(lǐng)域。模擬平臺(tái)是一個(gè)能夠支持多物理過(guò)程和多種數(shù)值方法的大型跨平臺(tái)全三維復(fù)雜軟件工程。目前已經(jīng)具備主要功能有：（1）全速流模擬

綜合介紹

應(yīng)用領(lǐng)域和功能范圍

大規(guī)模并行流固耦合模擬軟件平臺(tái)（簡(jiǎn)稱模擬平臺(tái)）是一個(gè)涉及計(jì)算數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、大規(guī)模并行計(jì)算、軟件工程等多個(gè)學(xué)科交叉的大型軟件工程。最初基于武器化爆安全性的研究需求而開發(fā)，經(jīng)過(guò)多年功能完善和擴(kuò)展，目前可應(yīng)用于化爆安全，武器毀傷能力，油氣管道安全性等國(guó)防和工程領(lǐng)域。

模擬平臺(tái)是一個(gè)能夠支持多物理過(guò)程和多種數(shù)值方法的大型跨平臺(tái)全三維復(fù)雜軟件工程。目前已經(jīng)具備主要功能有：

（1）全速流模擬：能夠?qū)崿F(xiàn)從低速到高速的全速流模擬；

（2）復(fù)雜物理過(guò)程仿真：純固體、純流體、化學(xué)反應(yīng)以及流固耦合的等復(fù)雜物理過(guò)程的建模和模擬；

（3）物理過(guò)程匹配的高效數(shù)值算法：根據(jù)每個(gè)物理過(guò)程的時(shí)空尺度和物理建模選擇適用的數(shù)值方法；

（4）高度的并行可擴(kuò)展性：復(fù)雜流固耦合等工程問(wèn)題的全三維高精度數(shù)值模擬需要數(shù)千至數(shù)十萬(wàn)核的大規(guī)模并行能力，軟件平臺(tái)可將涉及的所有物理過(guò)程的數(shù)值模擬有效地組合，在復(fù)雜多核異構(gòu)高性能計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)高度的并行可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)全三維高精度的數(shù)值模擬。

功能優(yōu)勢(shì)

相比于ANSYS，ABQUAS等商業(yè)軟件，該模擬平臺(tái)具有以下功能優(yōu)勢(shì)

1. 大變形過(guò)程研究：傳統(tǒng)商業(yè)軟件采用FEM方法在保證計(jì)算精度的同時(shí)帶來(lái)了難以克服的網(wǎng)格大變形問(wèn)題。MPM方法非常適用于于大變形研究，但精度通常低于FEM，且與圍繞計(jì)算網(wǎng)格移動(dòng)的粒子相關(guān)的誤差會(huì)引入非物理振蕩。模擬平臺(tái)采用GIMP方法提高了計(jì)算精度，解決了非物理振蕩問(wèn)題。

2. 基于第一原理的化學(xué)反應(yīng)模型：傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)模型有諸多可調(diào)參數(shù)，需要根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定，本模擬平臺(tái)的化學(xué)反應(yīng)模型通過(guò)第一原理模擬構(gòu)建，不含實(shí)驗(yàn)標(biāo)定參數(shù)。

3. 高可擴(kuò)展的并行性：基于DAG圖調(diào)度技術(shù)研制的并行框架是目前國(guó)際上認(rèn)為最為有效的適用于E級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)體系的并行化框架。

主要功能

模擬平臺(tái)主要包含6方面功能模塊：

1. 軟件基礎(chǔ)功能組件，包括幾何、容器、異常處理、塊結(jié)構(gòu)AMR網(wǎng)格等。

2. 并行組件。包括MPI并行管理組件，負(fù)載平衡組件、任務(wù)調(diào)度組件，并行I/O組件等。

3. 多介質(zhì)全速流體計(jì)算組件。包括對(duì)流計(jì)算、壓力隱式求解、反應(yīng)物和產(chǎn)物狀態(tài)方程等。

4. 物質(zhì)點(diǎn)方法組件，包括基于塊結(jié)構(gòu)AMR網(wǎng)格的物質(zhì)點(diǎn)方法、材料本構(gòu)等功能模塊。

5. 基于3和4，研制流固耦合計(jì)算組件。

6. 全速流計(jì)算組件，物質(zhì)點(diǎn)方法組件，流固耦合應(yīng)用組件的典型算例和驗(yàn)證。

平臺(tái)采用公共組件架構(gòu)，將各個(gè)功能組件化。組件之間通過(guò)公共接口靈活組合，相關(guān)組件僅依賴公共接口，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)組件間的隔離解耦。根據(jù)組件功能分為核心組件層、并行組件層和應(yīng)用組件層。模擬不同物理過(guò)程的組件屬于應(yīng)用組件層。

1. 核心組件層包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、異常處理、容器、網(wǎng)格等組件。

2. 并行組件層基于DAG圖的任務(wù)調(diào)度技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)萬(wàn)至數(shù)十萬(wàn)核的并行可擴(kuò)展性，包括并行管理組件、任務(wù)調(diào)度組件、負(fù)載平衡組件、并行I/O組件等。

3. 流固耦合組件采用全速流計(jì)算和物質(zhì)點(diǎn)方法相結(jié)合的方法解決流固耦合計(jì)算中的界面大變形問(wèn)題，包括全速流計(jì)算組件、物質(zhì)點(diǎn)方法組件、狀態(tài)方程和材料本構(gòu)組件等多個(gè)組件。

典型算例：

1. 2維黎曼問(wèn)題（網(wǎng)格自適應(yīng)）