强脉动压力下飞行器随机振动分析算法与并行实现

以飞行器再入大气层过程中承受多点强相关脉动压力下的随机振动分析为研究背景,从自由体模态分析入手,考虑脉动压力之间的强相关性,建立自由体动力学方程并推导刚-弹模态耦合作用下的随机振动理论,完成算法设计并在自主并行软件平台PANDA中进行代码实现,通过典型飞行器算例开展正确性验证和应用研究。研究表明：飞行器再入过程的刚体运动对结构在低频段的响应影响显著,甚至起到主导作用,越靠近零频附近,这种影响越大;在中高频段,弹性响应逐渐占据主导地位。基于自主研发形成的随机振动分析模块可以较好地模拟飞行器再入过程脉动压力诱导的随机振动响应,具备超大规模并行计算能力。     

用三维并行时域有限差分算法研究光子晶体薄板W3波导传输特性

构建了用于高性能并行计算的PC机群环境,将基于此机群环境的三维并行时域有限差分算法用于光子晶体薄板W3波导传输特性研究.性能分析表明：对于大规模问题,机群并行FDTD算法能够获得较理想的加速比.具体计算了W3波导的透射率频谱和光场分布.结果表明：光子晶体薄板W3波导能够实现光的三维约束,其导带中存在着微小禁带（mini-gap）.     

3维抛物问题时空相关扩散系数识别的一种并行区域分解方法

3维抛物方程中时空相关扩散系数的反演是一个具有严重病态性的非线性反问题.本文研究基于时空区域分解的快速并行方法.首先将该反问题转化为带有PDE (partial differential equation,偏微分方程)约束的最小二乘优化问题,然后通过添加适当的时空Tikhonov正则化项保证问题的适定性,并用先优化后离散的方法对一阶最优条件KKT (Karush-Kuhn-Tucker)系统进行空间有限元及时间有限差分离散.针对由此产生的大规模非线性系统,本文提出一种时空全耦合预条件并行算法.该算法不需要对3个PDE子系统进行交替迭代求解以及向前和向后的时间推进过程,而是将正问题、伴随问题和扩散系数方程的所有未知量耦合在一起,使用重叠型时空区域分解预条件子对每个Newton迭代步的Jacobi系统进行预处理,然后用Krylov子空间方法求解该系统.数值实验表明,本文所提出的算法对重建4维时空扩散系数具有良好的精度和鲁棒性,且对5,000个处理器核达到接近线性的加速比.     

海洋地震工程流固耦合问题统一计算框架——————不规则界面情形

海底地震动场及海洋声场的模拟中,需要考虑复杂海床介质及海底地形的影响,涉及到海水、饱和海床、弹性基岩之间的相互耦合.传统的方法分别采用声波方程描述理想流体、Biot方程描述饱和海床、弹性波方程描述基岩,分别进行空间离散和界面耦合, 十分不便.本文基于理想流体、固体分别为饱和多孔介质的特殊情形(孔隙率分别为1和0),由饱和多孔介质的Biot方程可退化得到理想流体的声波方程和固体的弹性波方程.然后, 以饱和多孔介质方程为基础, 经集中质量有限元离散,严格考虑不同孔隙率的饱和多孔介质在不规则界面的耦合条件,通过求解法向和切向界面力的途径,建立了不同孔隙率的饱和多孔介质耦合情形的求解方法,将流体、固体、饱和多孔介质间的耦合问题纳入到统一计算框架,并编制了相应的三维并行分析程序.考虑海水--弹性基岩、海水--饱和海床--弹性基岩体系中凹陷地形情形,采用本文提出的统一计算框架, 结合透射边界条件,分析了P波入射时的动力反应, 并通过结果是否满足界面条件,验证了该统一计算框架的有效性以及并行计算的可行性.      

海洋地震工程流固耦合问题统一计算框架——不规则界面情形

海底地震动场及海洋声场的模拟中,需要考虑复杂海床介质及海底地形的影响,涉及到海水、饱和海床、弹性基岩之间的相互耦合.传统的方法分别采用声波方程描述理想流体、Biot方程描述饱和海床、弹性波方程描述基岩,分别进行空间离散和界面耦合,十分不便.本文基于理想流体、固体分别为饱和多孔介质的特殊情形(孔隙率分别为1和0),由饱和多孔介质的Biot方程可退化得到理想流体的声波方程和固体的弹性波方程.然后,以饱和多孔介质方程为基础,经集中质量有限元离散,严格考虑不同孔隙率的饱和多孔介质在不规则界面的耦合条件,通过求解法向和切向界面力的途径,建立了不同孔隙率的饱和多孔介质耦合情形的求解方法,将流体、固体、饱和多孔介质间的耦合问题纳入到统一计算框架,并编制了相应的三维并行分析程序.考虑海水–弹性基岩、海水–饱和海床–弹性基岩体系中凹陷地形情形,采用本文提出的统一计算框架,结合透射边界条件,分析了P波入射时的动力反应,并通过结果是否满足界面条件,验证了该统一计算框架的有效性以及并行计算的可行性.     

基于OpenMP的飞秒强激光在空气中传输并行计算

轴对称超短强激光在空气中的传输可以用2D+1维非线性薛定谔方程来描述,该方程一般可用FCN方法进行求解,即在时间上应用快速傅里叶变换方法、在空间横截面上采用Crank-Nicholson差分法。但由于计算非常耗时,传统串行的FCN方法只能计算强激光在百m量级距离上传输。基于OpenMP设计了求解2D+1维非线性薛定谔方程的并行方法及其程序。数值模拟结果证明了程序的正确性和较高的并行效率。当线程数为15时并行加速比为12。此并行方法可应用于模拟长距离的超短超强激光的传输。     

基于射线穿透法的GPU并行阶梯型有限差分网格生成算法

三维大规模有限差分网格生成技术是三维有限差分计算的基础，网格生成效率是三维有限差分网格生成的研究热点。传统的阶梯型有限差分网格生成方法主要有射线穿透法和切片法。本文在传统串行射线穿透法的基础上，提出了基于GPU （graphic processing unit）并行计算技术的并行阶梯型有限差分网格生成算法。并行算法应用基于分批次的数据传输策略，使得算法能够处理的数据规模不依赖于GPU内存大小，平衡了数据传输效率和网格生成规模之间的关系。为了减少数据传输量，本文提出的并行算法可以在GPU线程内部相互独立的生成射线起点坐标，进一步提高了并行算法的执行效率和并行化程度。通过数值试验的对比可以看出，并行算法的执行效率远远高于传统射线穿透法。最后，通过有限差分计算实例可以证实并行算法能够满足复杂模型大规模数值模拟的需求。     

并行元胞单元法

在对元胞单元法的基本原理与特点进行简要介绍之后,探讨了元胞单元法的并行计算方法,给出了算法描述和解题步骤。以平面应力问题分析为例,进行了数值试验,给出了详细的计算步骤和结果。结果表明元胞单元法可形成一种高度并行的算法,适用于未来并行机的要求,有望在大型结构和纳米力学的大规模摸拟方面得到应用。     

单路脉冲功率真空装置的三维数值模拟研究

研究了单路脉冲功率真空装置中脉冲功率的馈入、汇聚及传输, 在CHIPIC平台上, 采用多台计算机进行分进程并行计算的方法, 突破了单台计算机的内存及运行速度限制, 对单路脉冲功率的馈入、汇聚及传输装置进行建模, 并设置相应的参数, 从而对该大尺度装置进行了整体模拟. 模拟得到的该器件各个部分的阴阳极间电压、阴阳极电流等一些重要的物理参数. 模拟结果表明: 该单路真空脉冲功率器件整体都可以保持磁绝缘状态, 并达到了很好的功率汇聚的作用. 该工作验证了真空状态下脉冲功率产生及传输器件的可行性, 为进一步的实验研究提供了有力保证. 关键词： 单路脉冲功率真空装置 并行计算 数值模拟 磁绝缘     

N2对HF泛频激光振转能级粒子数分布的影响

基于多体展式方法所导出的N2HF的分析势能函数,用准经典的Monte Carlo轨迹法研究了N2HF(v′,J′)→N2+HF(v″,J″)振转非弹性碰撞过程.结果指出:N2对HF的振动能级的粒子分布影响较大,在较低相对平动能下,对HF转动能级有弛豫作用.