表面湿润现象数值模拟的高可扩展并行区域分解算法

In this project, based on domain decomposition methods, we aim to develop parallel solution algorithms for the simulation of wetting phenomenon on material surface. Wetting phenomenon is of critical importance in many scientific and industrial processes, such as self-cleaning, pipeline transportation, coating, etc. Due to the limitation of computing power, early simulations of wetting phenomenon suffer from a lot of simplification in either physical modeling or surface geometry. The numerical simulation of 3D wetting problems in complex engineering applications is a very challenging task due to the tremendous computational demand required. Thus, the use of high performance computers is indispensable. In this project, we plan to develop a new fully coupled implicit solver for the simulation of two-phase flow on solid surfaces based on 3D unstructured meshes. We shall use a stabilized finite element scheme for the spatial approximation of the problem, and an implicit BDF method for the time discretization. The objective of this project is to design a package of parallel algorithms for certain engineering applications of wetting phenomenon, which is expected to be scalable up to tens of thousands of processors.

本项目将针对材料表面湿润性问题，开展基于区域分解算法的并行快速模拟研究。湿润现象是自然界普遍存在的重要界面现象，在工业生产和社会生活中具有良好的应用前景和科学研究价值，如自清洁、管道运输、集成电路封装、机器润滑和衣物洗涤等。由于受计算能力的限制，早期的表面湿润现象模拟在物理模型和表面几何形状方面做了很多简化，无法满足三维复杂结构表面湿润现象的高精度仿真和相关材料优化设计的要求。随着数值模拟中的物理模型和几何区域日渐复杂，以及流动机理研究越来越精细，利用高性能计算机提升表面湿润性问题的计算精度和效率成为表面科学研究的迫切需求。本项目将针对移动接触线模型构造全隐式的有限元离散格式和全耦合的求解算法，并基于三维非结构网格对固体表面两相流进行高精度数值模拟。本研究将面向湿润现象的工程应用问题，发展一套可扩展至数万核且具有强鲁棒性的并行算法，为表面科学研究和相关材料制备提供有力的技术支撑。

本项目针对材料表面湿润性问题，开展基于区域分解算法的并行快速模拟研究。湿润现象是自然界普遍存在的重要界面现象，在工业生产和社会生活中具有良好的应用前景和科学研究价值，如自清洁、管道运输、集成电路封装、机器润滑和衣物洗涤等。随着数值模拟技术的发展，基于计算机仿真的表面结构优化设计发挥着越来越重要的作用，逐渐取代原有的物理化学试验，大幅缩短研发周期和降低设计成本。本项目的主要研究内容是设计高效、精确和快速收敛的数值格式，构造可扩展性好的并行求解算法，并基于三维非结构网格进行材料表面湿润现象数值模拟。.在本项目的支持下，我们成功研制了一套面向复杂表面湿润性问题的并行计算机仿真分析算法包。该算法包包括网格生成、离散格式、非线性和线性方程组求解、可视化等贯穿数值模拟的多个模块，在天河2号、神威太湖之光等超级计算机上达到了万核60%以上的并行效率。在应用仿真方面，对粗糙结构表面的实验工况进行了水滴铺展模拟，仿真结果与实验吻合。项目开展三年以来，共发表高水平学术论文7篇，在审1篇，参加各种学术交流10余次，邀请了6名同行专家进行学术交流指导。