[发明专利]一种面向动边界流场数值模拟的局部区域网格重构并行方法

说明书

本发明公开了一种面向动边界流场数值模拟的局部区域网格重构并行方法，包括对输入的已经发生变形的分布式的网格，并行地找出并标记需要进行网格重构的单元；使用并行区域分解方法对旧的带孔洞的网格进行分割，然后重新将得到的子网格分配所有可用的处理器上；并行地对分布式的孔洞进行网格重构；并行的分配新的网格于不同的处理器，使各个处理器上的网格规模达到平衡，得到新的分布式的网格。本方法可以弥补现有大规模动边界流场并行数值模拟中利用非结构动态网格求解方法中，没有实现并行化的局部区域网格重构方法的遗憾，可以很好的集成到现有的动边界流场模拟中，实现动边界流场模拟系统完全的并行化，在内存消耗和计算效率方面克服性能瓶颈。

技术领域

本发明涉及一种应用在计算流体力学(计算空气动力学)研究领域中的面向动边界流场数值模拟的局部区域网格重构并行方法。

背景技术

在计算流体力学领域，很多研究(尤其是空气动力学计算)中会涉及动边界(即几何边界的形状或位置会随时间改变)流场模拟。动态非结构网格方法是解决这类动边界问题的常用方法——在每个时间步长中采用一个一致的非结构网格。为了适应不同时间步长下的几何边界变化，网格结点会随之被移动，但是网格结点的初始连接关系保持不变。然而这种网格变形方法有时会导致网格形状很差，甚至在模拟过程中涉及大位移时，可能会出现网格单元翻转。为了进一步解决这个问题，比较通用的方法是对当前质量差的网格进行局部区域网格重构。局部区域网格重构方法是指：在网格单元质量恶化的局部区域切割出一些空洞，然后对这些空洞进行再次网格划分，新的网格结点上的属性值通过对旧网格上的解进行插值计算，最后在利用重构后的网格进行下个时间步长的流场计算。局部网格区域重构方法是解决动边界问题的一种具有较高效率和鲁棒性的通用方法，它保证了通用性，效率和网格质量之间的良好折衷。

在现有的计算流体力学并行模拟中，大多数的计算流体力学求解器已经能够实现有效的并行化，局部区域网格重构方法往往是串行执行。实际工程上的运动物体模拟通常涉及数百万甚至上千万以上单元组成的网格，为了在合理的时间内得到结果，往往会使用数百个以上计算核心，这时候串行执行局部区域网格重构过程将会因为如下原因成为整个模拟流程的性能瓶颈：

(1)运行串行化的网格重构过程必须包含足够的内存来存储整个网格；

(2)当流场求解过程被数百倍的加速后，局部区域网格重构对中央处理器(CPU)的需求会变得极为突出；

(3)在每次网格重构开始之间，需要将分布式的子网格(并行化流场求解过程将网格分解不同的子网格于不同的计算核进行计算)合并到同一计算核中，然后在网格重构之后，又需要将网格从此计算核上分配到不同的计算核，以进行下一步的流场计算。

毫无疑问，在网格组合和分布过程中需要在不同计算核之间进行密集的数据传输，在模型特殊的情形下，这些过程的时间消耗可能占整个模拟循环时间非常显著的百分比(具体占用多少百分比取决于网格重构调用的频率和不同计算核之间的数据传输效率)。

把局部区域网格重构方法并行化，是一个能够突破串行化的局部区域网格重构带来的模拟循环性能瓶颈的关键手段。工程领域关于这个技术的研究还比较少，欧洲宇航防务集团(EADS)Termel等人提出了一种对非结构化网格进行并行局部网格重构的方法^[1]，但是他们的方法需要将一个原先局部分布在不同处理器上的单孔在的一个指定的处理器上进行组合，这就又会引起前面所讲的串行方法会导致的结果，如果进行网格重构的空洞太大，仍然会在内存占用和计算时间方面遇到性能瓶颈。

[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