适于千万亿次计算机多相空间数值模拟高性能可扩展并行算法研究

随着千万亿次计算机发展，建立高效运行于成千上万处理器核的大规模并行算法，解决航天、军工领域传统方法难以计算的跨流域空气动力学难题，已成为往返大气层高超声速飞行器研制发展急需解决的核心科学问题。本项目研究描述大尺度复杂飞行器再入飞行各流域多原子气体高超声速流动输运现象统一的Boltzmann模型方程，开展基于位置空间、速度空间多维相空间气体分子速度分布函数高性能计算建模。研究多相空间区域分解并行化方法，分析算法变量依赖关系、数据通信与并行可扩展性，提出新型的求解多相空间Boltzmann模型方程大规模并行计算策略。发展大数据量通信优化、访存优化和高性能并行I/O技术，解决面向数千、上万以至数十万多核/众核处理器并行计算适应性问题；建立模拟航天器从高稀薄流到连续流跨流区高超声速复杂绕流问题高性能并行算法与可扩展大规模并行计算应用软件，研究揭示航天器再入飞行姿态配平、复杂绕流现象与流动变化机理。

借助高性能计算机开展介观Boltzmann模型方程在航天飞行器从外层空间再入高马赫数绕流问题计算研究，在国内尚属空白，是国际学术界尚未解决的问题。本重大研究计划培育项目通过对Boltzmann(玻尔兹曼)方程碰撞积分可计算建模，确立描述复杂飞行器从外层空间再入各流域高超声速流动输运现象统一的Boltzmann模型方程；研制了适于跨流域高超声速绕流问题模拟离散速度坐标法与适应大规模并行分布求和的宏观流动量离散速度数值积分技术；建立了模拟高超声速飞行器跨流域复杂绕流问题高性能并行计算数学模型；通过研究数据并行程序设计环境，提出求解多相空间Boltzmann模型方程气体动理论统一算法(GKUA)大规模并行计算策略，建立了与内点数值并行格式相适应的气体动理论边界条件并行计算模型，解决了适于大规模异构计算机多核CPU结构高性能计算适应性问题，完成了GKUA高性能可扩展并行计算方案设计，并在小、中、大规模64-1024、1024-8192、4096-20625、512-32768CPU并行算法测试，在此基础上，实施了GKUA在500-45000处理器进程并行计算性能、稳定性分析，证实GKUA从数百到数万进程并行计算加速比随进程数目增加成拟线性分布，并行效率80%以上，建立了求解Boltzmann模型方程适于千万亿次计算机多相空间数值模拟高性能可扩展并行算法应用研究平台。作为GKUA并行算法验证确认，在1024-8192CPU计算分析可重复使用返回式卫星再入80~114km飞行绕流问题，得到了与试验吻合很好的结果。在16384CPU，首次利用本项目求解Boltzmann模型方程并行算法对某货运飞船返回舱以马赫数 再入飞行高稀薄流区110公里到近连续过渡流区74.6公里高超声速绕流环境并行计算，揭示了航天器极高超声速再入气动力热变化规律，为未来货运飞船跨流区气动设计提供理论依据。建立了航天器再入高稀薄自由分子流到连续流各流域复杂高马赫数绕流问题气体动理论统一算法大规模并行计算应用研究方向。项目执行期间已在国际SCI/EI等杂志发表论文四篇，在国际航空航天领域顶级学术期刊“Progress in Aerospace Sciences”发表论文一篇，被评价：“提出一种求解玻尔兹曼模型方程适于三维全局Knudsen数范围、高马赫数绕流问题统一算法，属航天领域最富吸引力有重大意义的研究”。