[發明專利]一種面向動邊界流場數值模擬的局部區域網格重構并行方法

有效

• 申請號: 201910410152.1
• 申請日: 2019-05-16
• 公開（公告）號: CN110188424B
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發明（設計）人: 鄭建靖;陳建軍;鄭耀;解利軍;傅珂杰
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14;G06F111/10
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 應孔月;邱啟旺

本發明公開了一種面向動邊界流場數值模擬的局部區域網格重構并行方法，包括對輸入的已經發生變形的分布式的網格，并行地找出并標記需要進行網格重構的單元；使用并行區域分解方法對舊的帶孔洞的網格進行分割，然后重新將得到的子網格分配所有可用的處理器上；并行地對分布式的孔洞進行網格重構；并行的分配新的網格于不同的處理器，使各個處理器上的網格規模達到平衡，得到新的分布式的網格。本方法可以彌補現有大規模動邊界流場并行數值模擬中利用非結構動態網格求解方法中，沒有實現并行化的局部區域網格重構方法的遺憾，可以很好的集成到現有的動邊界流場模擬中，實現動邊界流場模擬系統完全的并行化，在內存消耗和計算效率方面克服性能瓶頸。

技術領域

本發明涉及一種應用在計算流體力學(計算空氣動力學)研究領域中的面向動邊界流場數值模擬的局部區域網格重構并行方法。

背景技術

在計算流體力學領域，很多研究(尤其是空氣動力學計算)中會涉及動邊界(即幾何邊界的形狀或位置會隨時間改變)流場模擬。動態非結構網格方法是解決這類動邊界問題的常用方法——在每個時間步長中采用一個一致的非結構網格。為了適應不同時間步長下的幾何邊界變化，網格結點會隨之被移動，但是網格結點的初始連接關系保持不變。然而這種網格變形方法有時會導致網格形狀很差，甚至在模擬過程中涉及大位移時，可能會出現網格單元翻轉。為了進一步解決這個問題，比較通用的方法是對當前質量差的網格進行局部區域網格重構。局部區域網格重構方法是指：在網格單元質量惡化的局部區域切割出一些空洞，然后對這些空洞進行再次網格劃分，新的網格結點上的屬性值通過對舊網格上的解進行插值計算，最后在利用重構后的網格進行下個時間步長的流場計算。局部網格區域重構方法是解決動邊界問題的一種具有較高效率和魯棒性的通用方法，它保證了通用性，效率和網格質量之間的良好折衷。

在現有的計算流體力學并行模擬中，大多數的計算流體力學求解器已經能夠實現有效的并行化，局部區域網格重構方法往往是串行執行。實際工程上的運動物體模擬通常涉及數百萬甚至上千萬以上單元組成的網格，為了在合理的時間內得到結果，往往會使用數百個以上計算核心，這時候串行執行局部區域網格重構過程將會因為如下原因成為整個模擬流程的性能瓶頸：

(1)運行串行化的網格重構過程必須包含足夠的內存來存儲整個網格；

(2)當流場求解過程被數百倍的加速后，局部區域網格重構對中央處理器(CPU)的需求會變得極為突出；

(3)在每次網格重構開始之間，需要將分布式的子網格(并行化流場求解過程將網格分解不同的子網格于不同的計算核進行計算)合并到同一計算核中，然后在網格重構之后，又需要將網格從此計算核上分配到不同的計算核，以進行下一步的流場計算。

毫無疑問，在網格組合和分布過程中需要在不同計算核之間進行密集的數據傳輸，在模型特殊的情形下，這些過程的時間消耗可能占整個模擬循環時間非常顯著的百分比(具體占用多少百分比取決于網格重構調用的頻率和不同計算核之間的數據傳輸效率)。

把局部區域網格重構方法并行化，是一個能夠突破串行化的局部區域網格重構帶來的模擬循環性能瓶頸的關鍵手段。工程領域關于這個技術的研究還比較少，歐洲宇航防務集團(EADS)Termel等人提出了一種對非結構化網格進行并行局部網格重構的方法^[1]，但是他們的方法需要將一個原先局部分布在不同處理器上的單孔在的一個指定的處理器上進行組合，這就又會引起前面所講的串行方法會導致的結果，如果進行網格重構的空洞太大，仍然會在內存占用和計算時間方面遇到性能瓶頸。

[1]Tremel,U.,K.A.,Hitzel,S.,Rieger,H.,Hassan,O.,Weatherill,N.P.(2007).Parallel remeshing of unstructured volume grids for CFDapplications.International Journal for Numerical Methods in Fluids,53(8),1361-1379.doi:10.1002/fld.1195