激光惯性约束聚变的可计算建模与算法研究

激光惯性约束聚变物理全过程的大规模数值模拟，高度依赖于科学计算中基础算法与可计算建模的发展水平。辐射输运过程和内爆压缩湍流混合是其中的两个关键环节。本项目将开展辐射输运过程的可计算建模、多群辐射扩散相关的快速算法、具有球对称性的辐射输运计算方法、扩散输运耦合算法及相应的实现技术研究；开展靶丸内爆压缩辐射流体力学不稳定性模拟的自适应计算方法、小尺度辐射流体力学不稳定性的湍流混合模型研究；同时，开展相应的大规模高性能并行程序算法研究，实现激光惯性约束聚变可计算建模的大规模数值模拟。项目目标是将上述研究成果中先进的计算方法与国家重大工程应用结合，建立物理要求的高效实用扩散输运耦合算法与湍流混合的可计算模型，有效利用数千上万处理器核，实现全过程的大规模数值模拟，将激光惯性约束聚变数值模拟能力提升到新的阶段。

激光惯性约束聚变（ICF）物理全过程的大规模数值模拟，高度依赖于科学计算中基础算法与可计算建模的发展水平。在本项目的支持下，课题组在辐射流体力学的可计算建模和算法、内爆压缩与湍流混合的可计算建模和算法、多群辐射扩散方程组的高效并行代数解法、激光ICF物理过程的大规模模拟等方面取得突破性进展。主要包括：提出了辐射输运-扩散分区域耦合算法；设计了多种保物理特性（球对称性、守恒性、保正性等）的高精度辐射流体力学计算格式；研究了多介质任意拉格朗日-欧拉方法；针对ICF内爆问题分析了湍流混合Haan弱非线性饱和模型和不稳定性非线性增长规律；针对单群和多群辐射扩散方程组的大规模离散系统，分别设计了一种自适应AMG预条件子和自适应组合型GAMG预条件子等。课题组研制的ICF数值模拟程序应用于NIF点火靶和内爆数值模拟，CPU核数可扩展至数千上万核，实现了点火靶模型的全过程数值模拟。部分算法成功应用于神光-II、神光-III原型、神光-III主机等激光装置黑腔和内爆物理实验的数值模拟与数据分析，取得了很好的应用成果。另外，课题组在相场模型和分数阶微分方程的理论与数值算法研究领域也取得了重要进展。