高阶并行可扩展CFD应用开发框架研究

Computational Fluid Dynamics (CFD) has been widely applied in many fields. Its interdisciplinary research requires supports from a software framework for the application development. Joined by experts on parallel computing, numerical calculation and fluid dynamics, this project focuses on high-order numerical methods. It designs a framework that simultaneously supports multiple methods of numerical discretization and provides extensible and easy-to-use interfaces for various users, learning from the architecture of the international open source software. Based on the framework, the project tackles key technologies such as grid-order adaptation, high-order detector and limiter, general numerical solution library, efficient matrix organization and storage scheme, sparse linear equations solution, scalability optimization on parallel computing, and so on. It proposes efficient high-order numerical methods and CFD parallelization methods. The proposed framework and methods will be evaluated and validated through representative case studies, and then be promoted to many new fields. At last, a scalable high-order CFD parallel software framework for the application development is obtained. It will be open-sourced internationally, which on one hand alleviates to a certain extent the problem of lacking national innovation in CFD and thus over a barrel for a long time, and on the other hand provides future references for similar software research and development in our country.

计算流体力学应用领域广泛，其跨学科研究需要应用开发框架软件的支撑。本项目联合并行计算、数值计算和流体力学等专家，紧扣高阶数值计算主线，借鉴国际开源软件架构，设计能够同时支持多种数值离散方法的框架体系结构，为各类用户提供可扩展的便捷开发接口；基于框架突破网格阶次适配、高阶探测器限制器、通用数值求解库、高效矩阵组织存储、稀疏线性方程组求解、并行计算可扩展优化等关键技术，提出高效的高阶数值计算方法和CFD并行计算方法；将框架及相关方法进行典型案例验证与新领域应用推广，最终得到一个高阶并行可扩展的CFD应用开发框架软件，并将其在国际上开源发布，在一定程度上缓解我国CFD原创性研究长期受制于人的问题，也为我国类似软件研发提供借鉴。

本课题紧扣高阶数值计算主线，分别在框架体系架构、高阶数值计算方法、高效CFD并行计算方法、高阶CFD求解器及案例应用等方面取得了阶段性成果。在框架体系架构方面，设计了能够同时支持有限体积法、间断伽辽金法和连续有限元法多种数值离散方法的层次化架构，设计实现了高阶离散核心层、可扩展的离散系统描述层、前后处理工具等重要组成模块，同时继承并扩展了原始OpenFOAM的用户接口，使用户可以接近“零编程”来实现高阶应用开发，形成的HopeFOAM稳定版本已在国际开源平台github上发布，并在国家超级计算广州中心部署应用，为高阶CFD领域提供了数值模拟研究平台。基于此框架，在高阶数值计算方法方面，研究了网格阶次适配技术，为基于网格密度和离散阶次的CFD模拟优化提供了理论基础；研究了间断速度连续压力离散方法在不可压流模拟中的应用，为高阶间断和连续有限元混合方法（DG-CG）的运用提供依据；设计实现了斜率限制器、矩限制器、WENO限制器、Minmod、TVB和KXRCF等主流的探测器、限制器，以实现激波间断的高效捕捉和高精度模拟。在高效CFD并行计算方法方面，在框架中引入了Matrix-Free方法，扩展了当前基于PETSc的线性系统，加速了显式Euler和隐式拉普拉斯问题的求解；设计优化了基于贪心选点的RBF动网格并行算法，加速了动网格方法在运动边界问题中的求解过程；研究了基于框架的通信优化方法，提高了基于框架的数值求解器并行求解效率。在高阶CFD求解器及案例应用方面，建立了复杂多相、可压缩空化流动数值计算方法，完成了多相可压空化流数值求解器开发，揭示多因素干扰下高速跨介质航行体空泡形态演化规律，为超空泡航行体发展提供了技术支撑；研究了面向应用特点的高效线性方程组求解方法，加速了水下翼型潜航等具有局部特征、多尺度特征和间断特征的应用数值求解过程；在框架应用方面，开展了超空泡航行、微重力条件下液体管理、泄压罐蒸汽排放等应用的数值模拟，推广了框架在计算流体领域的应用。