三维爆炸问题高精度大规模高可扩展计算方法研究

The investigation of high resolution numerical simulation in explosion problem has important theoretical value and application prospect in both national defense and civilian applications，such as warhead design, and disaster prevention and control of major industrial explosion. Aiming at the discontinuity, nonlinear and coupling characteristics a in explosion problem, we will research the simulation by Eulerian method. First，we will establish a mathematical and physical model for explosion problem. Second，we will research the material interface tracing，determine the physical state both sides the interface and the action mechanism of Multi-medium. Third, Combined with the current large scale parallel computing research, we will Increase the degree of parallelism of the method by studying the high resolution numerical simulation method in explosion problem. Based on load balancing, minimization of communication, optimization of memory-access, optimization of many-core platform and technology of parallel vector reduction, we will propose a high resolution and large scale parallel numerical method for explosion problem. Finally, we will develop a software of high resolution large scale and high performance for three dimensional explosions. This work will became a solid numerical simulationfoundation for the warhead design, and disaster prevention and control of major industrial explosion.

爆炸问题高精度数值模拟研究在战斗部设计、工业重大爆炸灾害预防与控制等国防和民用领域中具有重要的理论价值和应用前景。本项目针对爆炸问题强间断、强非线性、强耦合的特性，开展欧拉数值模拟方法研究，一是建立能够很好的描述爆炸问题的数学物理模型；二是在物质界面追踪、界面两侧物理状态确定以及多物质相互作用机理等方面开展研究工作；三是结合当前大规模并行计算研究成果，深入研究爆炸问题高精度计算方法，提高该方法的并行度，并基于负载平衡、通信最小、访存优化、众核体系结构优化和并行向量归约技术等大规模并行计算技术，建立适用于爆炸问题的大规模并行计算方案；四是研发出三维爆炸问题高精度大规模高性能仿真软件，为我国战斗部设计、工业重大爆炸灾害预防与控制奠定有力的数值模拟基础。

爆炸问题的高精度大规模数值模拟研究在武器弹药设计及毁伤评估、重大战略目标防护、煤矿瓦斯爆炸、公共安全预防与控制等国防和民用问题中具有重要的理论价值和应用前景。本项目针对爆炸问题中普遍存在的多物质界面两侧强间断特性难以计算、复杂计算模型难以准确描述、三维问题计算规模大并行效率低等问题开展研究。项目研究了爆炸冲击波传播演化规律，建立了爆炸流场中爆炸冲击波与物质相互作用的计算模型；针对带化学反应的气体爆炸问题特点，建立了能够较好模拟可燃气体爆炸的数学物理模型；将GFM（Ghost Fluid Method）和RGFM（Real Ghost Fluid Method）界面处理方法相结合，从根本上避免了GFM方法处理物质界面强间断时引入的虚假物理解，同时，克服了RGFM方法处理弱间断时，重复求解Riemann问题引起的计算资源浪费；对于计算域中存在多种物质的问题，构造了多个Level Set函数对运动物质界面进行追踪，准确地捕捉了各运动物质界面在计算过程中任意时刻的具体位置；采用显示求解方法对控制方程组进行求解，空间上采用五阶WENO格式进行离散，时间上采用三阶龙格库塔方法进行推进；采用数据并行读取、数据重复利用、计算通信重叠、计算访存重叠、计算动态调度等方法，提高计算效率、降低通信量，实现大规模并行计算效率的有效提升。基于以上研究成果，开发了爆炸问题大规模并行仿真软件，对空中爆炸、可燃气体在密闭空间的燃烧爆炸等典型爆炸问题进行了数值模拟，模拟结果很好地反映了爆炸冲击波的传播规律。