基于结构网格的高超声速流动大规模并行数值模拟研究

J4 ›› 2012, Vol. 34 ›› Issue (8): 154-159.

基于结构网格的高超声速流动大规模并行数值模拟研究

丁国昊，李桦，潘沙，高洪贺

（国防科学技术大学航天与材料工程学院，湖南长沙 410073）

收稿日期:2012-04-28 修回日期:2012-06-11 出版日期:2012-08-25 发布日期:2012-08-25
基金资助:
国家自然科学基金资助项目（91016010）；中国博士后科学基金资助项目（201150M1563）

Massively Parallel Numerical Simulation of Hypersonic Flow Based on Structured Grids

DING Guohao，LI Hua，PAN Sha，GAO Honghe

（School of Aerospace and Materials Engineering,
National University of Defense Technology,Changsha 410073,China）

Received:2012-04-28 Revised:2012-06-11 Online:2012-08-25 Published:2012-08-25

摘要/Abstract

摘要：

本文采用MPI消息传递模式自主开发出适用于高超声速流动数值模拟的并行计算软件，该软件以三维NavierStokes方程为基本控制方程来求解层流问题，应用基于结构网格的有限体积法对计算域进行离散，采用AUSMPW+格式求解对流通量，利用MUSCL插值方法获得高阶精度，时间格式上采用LUSGS方法进行时间迭代以加快求解定常流动的收敛过程。在高性能计算机上针对不同高超声速流动进行大规模并行计算的结果表明，所开发的CFD并行计算软件具有较高的并行计算效率，为高超声速飞行器气动力/热的准确预测提供了高效工具。

关键词: 高超声速, 数值模拟, 并行计算, 结构网格

Abstract:

A parallel CFD solver for hypersonic flow is developed using the message passing method. The code employs the 3D NavierStokes equations as the basic governing equations to simulate the laminar hypersonic flow. The cell centered finite volume method based on structured grids is applied for spatial discretization. The AUSMPW+ scheme is used for the inviscid fluxes, and the MUSCL approach is used for higher order spatial accuracy. The implicit LUSGS scheme is applied for time integration to accelerate the convergence of computations in steady flows. Massively parallel computations are carried out on high performance computers to simulate different hypersonic flows. The numerical results show that the parallel CFD solver has high computational efficiency, and it can be used for the accurate prediction of the aerodynamic and aerothermodynamic environments for hypersonic flight vehicles.

Key words: hypersonic;numerical simulation;parallel computation;structured grid

丁国昊，李桦，潘沙，高洪贺. 基于结构网格的高超声速流动大规模并行数值模拟研究[J]. J4, 2012, 34(8): 154-159.

DING Guohao，LI Hua，PAN Sha，GAO Honghe. Massively Parallel Numerical Simulation of Hypersonic Flow Based on Structured Grids[J]. J4, 2012, 34(8): 154-159.

参考文献

［1］阎超. 计算流体力学方法及应用［M］. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2006.
［2］吴明一, 王红星, 秦玉波,等. CFD并行计算技术的研究进展［J］. 化工进展， 2007, 26(增刊): 1519.
［3］明平剑, 姜任秋, 朱明刚, 等. 基于PC集群并行CFD算法实现［J］. 哈尔滨工程大学学报, 2007, 28(2):155160.
［4］张鸿雁, 陈晓春, 王元. LINUX系统下PC机局域网并行计算环境的实现与测试［J］. 西安建筑科技大学学报(自然科学版), 2007, 39(2):267271.
［5］江小松, 刘建军. MPI环境下并行程序准确性验证及效率分析［J］. 航空动力学报, 2007, 22(12):20432049.
［6］Liou M S, Steffen C J. A New Flux Splitting Scheme［J］. Journal of Computational Physics, 1993, 107(1):2339.
［7］Kim K H, Kim C. Accurate, Efficient and Monotonic Numerical Methods for Multidimensional Compressible Flows Part I: Spatial Discretization［J］. Journal of Computational Physics, 2005, 208(2):527569.
［8］van Albada G D, van Leer B, Roberts W W. A Comparative Study of Computational Methods in Cosmic Gas Dynamics［J］. Astronomy and Astrophysics, 1982,108(1):7684.
［9］Yoon S, Jameson A. LowerUpper SymmetricGaussSeidel Method for the Euler and NavierStokes Equations［J］.AIAA Journal, 1988,26(9):10251026.
［10］Li J H, Rho O H. Numerical Analysis of Hypersonic Viscous Flow Around A Blunt Body Using Roe’s FDS and AUSM+ Schemes［R］. AIAA972054, Seoul National University,Republic of Korea,1997.
［11］Holden M S, Moselle A R, Riddell F R. Studies of Aerothermal Loads Generated in Regions of Shock/Shock Interaction in Hypersonic Flow［R］. AIAA Paper 880477, NASA,1988.
［12］李素循. 典型外形高超声速流动特性［M］. 北京: 国防工业出版社, 2007.

[1]	刘屹成, 刘晓燕, 严馨. 并行平衡级联支持向量机[J]. 计算机工程与科学, 2023, 45(07): 1170-1177.
[2]	臧照虎, 李晨, 王耀华, 陈小文, 郭阳. 面向众核系统的层次化栅栏同步机制[J]. 计算机工程与科学, 2022, 44(11): 1901-1908.
[3]	张勇, 张曦, 万云博, 何先耀, 赵钟, 卢宇彤. 非结构有限体积CFD计算的网格重排序优化[J]. 计算机工程与科学, 2022, 44(10): 1721-1729.
[4]	许晓阳, 王斯棋. 基于粒子分解的SPH并行算法研究与应用[J]. 计算机工程与科学, 2022, 44(06): 964-970.
[5]	范培勤, 过武宏, 韩梅, 唐帅, 张驰, . 水声环境特征参数并行预报方法研究[J]. 计算机工程与科学, 2021, 43(11): 1920-1925.
[6]	龚昊, 刘莹, 冯建周, 赵仁良, 冷佳旭, . 基于GPU加速的脉冲多普勒雷达信号处理[J]. 计算机工程与科学, 2021, 43(07): 1141-1149.
[7]	焦育威, 王鹏, 辛罡, . 基于采样尺度自适应的多尺度量子谐振子优化算法并行化[J]. 计算机工程与科学, 2021, 43(07): 1200-1209.
[8]	俞茂学, 贾东宁, 魏志强, 许佳立, 马广浩. 一种基于国产异构众核处理器的C++智能源码转换框架[J]. 计算机工程与科学, 2021, 43(06): 997-1005.
[9]	丁哲昭, 储根深, 胡长军, 李扬. 基于申威众核处理器的圣维南求解程序的并行与优化[J]. 计算机工程与科学, 2021, 43(05): 820-829.
[10]	丁峻宏, 苗新强, 李根国. 面向异构超算的结构分析高效并行计算方法[J]. 计算机工程与科学, 2020, 42(12): 2133-2140.
[11]	徐传福, 车永刚, 李大力, 王勇献, 王正华. 天河超级计算机上超大规模高精度计算流体力学并行计算研究进展[J]. 计算机工程与科学, 2020, 42(10高性能专刊): 1815-1826.
[12]	刘夏真, 袁武, 马文鹏, 胡晓东, 陆忠华, 张鉴. CCFD重叠网格并行算法设计和优化[J]. 计算机工程与科学, 2020, 42(10高性能专刊): 1833-1841.
[13]	陈元科, 张冬梅, 崔书岳, 张宇洋. 多重介质油藏数值模拟异构并行算法研究[J]. 计算机工程与科学, 2020, 42(10高性能专刊): 1880-1886.
[14]	赵钟，何磊，何先耀. 风雷（PHengLEI）通用CFD软件设计[J]. 计算机工程与科学, 2020, 42(02): 210-219.
[15]	李红军, 郭阳, 贾润. 归一化积相关算法加速方法研究及FPGA实现[J]. 计算机工程与科学, 2019, 41(11): 1905-1910.