基于格子Boltzmann方法的大规模可扩展并行计算研究

Lattice Boltzmann Method (LBM), different from classical numerical methods of continuum mechanics, is derived from molecular dynamics. The LBM has the following main advantages including a simple algorithm, the direct solver for pressure, easy treatment of complicated boundary conditions and particluarly parallel suitablity. From them, the high-scalble lattice models and efficient simulations of complicated flows will be explored and massively parallel computing model for a hundred thousands of cores will be studied on heterogeneous supercomputer. We will then provide programming interface application libraries and high-scalable computing codes in order to improve the large-scale parallel computing. By investigating the mechanisms of complicated flows, high performance computing ability around aircrafts with high Reynolds numbers and high Mach numbers will be given.

与连续介质力学的经典数值方法不同，格子Boltzmann方法（LBM）是建立在分子动力学基础上的数值方法。LBM的优点主要有以下几个方面: 算法简单、压力可以直接求解、简易的复杂边界条件处理、特别适合并行计算等。基于以上优点，本项目将探索模拟复杂流动的高效格子模型建模方法，同时研究面向十万量级计算核的异构超级计算机上的大规模并行计算模型、编程接口库及高可扩展性的计算程序，推进大型并行计算算法研究的发展。通过探索高雷诺数、高马赫数条件下复杂流动的机理，为绕飞行器的复杂流场计算提供可靠的高性能计算能力。

与连续介质力学的经典数值方法不同，格子Boltzmann方法（LBM）是建立在分子动力学基础上的数值方法。LBM的优点主要有以下几个方面: 算法简单、压力可以直接求解、复杂边界条件的简易处理、特别适合并行计算等。但LBM本身也存在一些问题，如不适用于可压缩流体和较高雷诺数流动问题的计算等。.本项目在LBM模型研究方面，针对LBM存在的问题，提出了一种可适用于较高雷诺数和较高马赫数的改进LBM方法。针对较高雷诺数的计算问题，采用LBM与大涡模拟（LES）相互耦合的计算模式。针对较高马赫数的计算问题，提出了能够适用于较高马赫数的平衡态分布函数和多种可压缩LBM计算模型，包括显、隐格式的有限差分LBM和适用于高马赫数条件下的多松弛（MRT）格子Boltzmann方法。此外，针对复杂几何的数值模拟，提出了一种基于多层/多重网格的LBM。.在并行算法及程序实现方面，本项目提出了LBM并行多维划分策略，在此基础上给出了并行通信策略和并行计算模型，并开发了一套可用于实际流动问题计算的大规模并行应用程序。该并行应用程序在上海大学“自强4000”和国家超算济南中心的神威蓝光超级计算机上进行了测试，获得了良好的加速比和并行效率。在十三万核的并行测试中依然获得了80%的并行效率。.本项目设计的大规模并行应用程序已在中国商用飞机有限公司上海飞机设计研究院进行了试算，为国产大飞机的气动设计计算提供支持。