求解犅狅犾狋狕犿犪狀狀模型方程高性能并行算法在航天跨流域空气动力.pdf

书第３９卷　第９期 ２０１６年９月 计　　算　　机　　学　　报 ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＯＭＰＵＴＥＲＳ Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．９ Ｓｅｐｔ．２０１６ 　 收稿日期：２０１５０３１８；在线出版日期：２０１５０７２３．本课题得到国家杰出青年科学基金、国家“九七三”重点基础研究发展计划项目 （２０１４ＣＢ７４４１００）、国家自然科学基金９１０１６０２７和国家“十二五”国防预研基金（５１３１３０３０１０４）资助．李志辉，男， １９６８年生，博士，研究员，博士生导师，主要研究领域为跨流域空气动力学、高性能并行计算与应用研究．Ｅｍａｉｌ：ｚｈｌｉ００９７＠ｘ２６３．ｎｅｔ． 蒋新宇，男，１９８７年生，硕士，助理工程师，主要研究方向为稀薄气体动力学与并行计算．吴俊林，男，１９８５年生，硕士，工程师，主要研究方 向为稀薄气体动力学与高性能计算．徐金秀，女，１９６３年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为高性能计算机应用软件、并行算法识别与 优化．白智勇，男，１９７１年生，硕士，副研究员，主要研究方向为计算流体力学与并行算法研究． 求解犅狅犾狋狕犿犪狀狀模型方程高性能并行算法在 航天跨流域空气动力学应用研究 李志辉１），２）　蒋新宇１）　吴俊林１）　徐金秀３）　白智勇１） １）（中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所　四川 绵阳　６２１０００） ２）（中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室　四川 绵阳　６２１０００） ３）（无锡江南计算技术研究所　江苏 无锡　２１４０８３） 摘　要　对Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方程碰撞积分物理分析与可计算建模，得到适于描述航天再入从外层空间到近地面各流域 统一Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ模型方程，提出求解Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ模型方程统一算法高性能并行计算数学模型．发展离散速度空间区 域分解大规模并行计算技术，分析统一算法变量依赖关系，建立可扩展并行计算方案；研究数据并行分布与并行执 行特征，开展大规模并行化程序设计，并在小、中、大规模２５６～５１２、４０９６～２０６２５ＣＰＵ及异构计算机５００～４５０００、 ３１２５～１１２５００进程并行算法测试，建立稳定运行于国产千万亿次超级计算机高性能可扩展大规模并行算法与航天 器再入跨流域复杂气动力／热绕流问题并行化软件应用平台．通过对稀薄流到连续流再入飞行不同高度可回收返 回式卫星飞行器、近空间大尺度机动飞行器跨流域绕流环境不同粒度高性能计算与验证，揭示大尺度复杂结构飞 行器跨流区飞行稀薄过渡流区热流系数比连续、近连续流区热流系数随物面变化剧烈得多、大得多，发现该类飞行 器后端面热流最大值发生在水平舵外侧拐角处，达驻点热流六分之一量级，提供了一个可靠求解航天器再入各流 域高超声速绕流问题统一算法高性能并行计算应用研究方向． 关键词　航天器；跨流域空气动力学；Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ模型方程；统一算法；区域分解；高性能并行计算 中图法分类号 ＴＰ３０１　　　犇犗犐号 １０．１１８９７／ＳＰ．Ｊ．１０１６．２０１６．０１８０１ 犛狋狌犱狔狅狀犎犻犵犺犘犲狉犳狅狉犿犪狀犮犲犘犪狉犪犾犲犾犃犾犵狅狉犻狋犺犿犳狅狉犛狆犪犮犲犮狉犪犳狋犚犲犈狀狋狉狔犃犲狉狅犱狔狀犪犿犻犮狊 犻狀狋犺犲犠犺狅犾犲狅犳犉犾狅狑犚犲犵犻犿犲狊犝狊犻狀犵犅狅犾狋狕犿犪狀狀犕狅犱犲犾犈狇狌犪狋犻狅狀 ＬＩＺｈｉＨｕｉ１），２）　ＪＩＡＮＧＸｉｎＹｕ１）　ＷＵＪｕｎＬｉｎ１）　ＸＵＪｉｎＸｉｕ３）　ＢＡＩＺｈｉＹｏｎｇ１） １）（犎狔狆犲狉狏犲犾狅犮犻狋狔犃犲狉狅犱狔狀犪犿犻犮狊犐狀狊狋犻狋狌狋犲，犆犺犻狀犪犃犲狉狅犱狔狀犪犿犻犮狊犚犲狊犲犪狉犮犺牔 犇犲狏犲犾狅狆犿犲狀狋犆犲狀狋犲狉，犕犻犪狀狔犪狀犵，犛犻犮犺狌犪狀　６２１０００） ２）（犛狋犪狋犲犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犃犲狉狅犱狔狀犪犿犻犮狊，犆犺犻狀犪犃犲狉狅犱狔狀犪犿犻犮狊犚犲狊犲犪狉犮犺牔 犇犲狏犲犾狅狆犿犲狀狋犆犲狀狋犲狉，犕犻犪狀狔犪狀犵，犛犻犮犺狌犪狀　６２１０００） ３）（犠狌狓犻犑犻犪狀犵狀犪狀犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犆狅犿狆狌狋犻狀犵犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犠狌狓犻，犑犻犪狀犵狊狌　２１４０８３） 犃犫狊狋狉犪犮狋　 ＴｈｅｕｎｉｆｉｅｄＢｏｌｔｚｍａｎｎｍｏｄｅｌｅｑｕａｔｉｏｎｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｆｏｒｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｃｏｍｐｌｅｘｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｆｌｏｗｔｒａｎｓｐｏｒｔｐｈｅｎｏｍｅｎａｃｏｖｅｒｉｎｇｖａｒｉｏｕｓｆｌｏｗｒｅｇｉｍｅｓｂｙｍｏｄｅｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆＢｏｌｔｚｍａｎｎｃｏｌｉｓｉｏｎｉｎｔｅｇｒａｌ．Ｔｈｅｇａｓｋｉｎｅｔｉｃｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｃｈｅｍｅｓｏｆ