非结构网格

摘要： 神威太湖之光在2016-2018年度全球超算top500榜单中排名第一,峰值性能为125.4 PFlops,其计算能力主要归功于国产SW26010众核处理器。由于CFD非结构网格计算存在拓扑关系复杂、离散访存问题严重、存在强相关的线化方程求解等问题,导致CFD非结构网格计算一直是国产众核超级计算机移植与优化的难题。为充分发挥国产异构众核架构的计算效能,首先,提出了一种数据重构模型,提高了数据的局部性和可并行性,使得数据结构更加适应众核架构的特点;然后,针对非结构网格数据存放的无序性导致的离散访存问题,提出了一种基于信息关系预存的离散访存优化方法,将离散访存转化为连续访存;最后,对于存在强相关的线化方程求解问题,引入了从核阵列流水线并行的思想,实现了众核并行。优化后CFD非结构网格计算的整体性能相比原始版本提升了4.19倍,相比通用CPU提升了1.2倍,并扩展到62.4万计算核心的并行规模,能保持64.5%的并行效率。

摘要： 如何高效地解决非结构网格离散访存问题一直是科学与工程计算并行算法和应用领域关注的核心热点问题之一。基于国产申威异构众核架构而设计的分布式区块重连的优化算法,在解决应用课题中的非结构稀疏问题时能始终保持高效的计算性能。通过深入分析众核架构片上的通信机制来设计高效的消息分组策略,以提高从核片上阵列带宽的利用率,同时结合无栅栏数据分发算法充分发挥国产异构众核体系架构网络的性能。通过建立性能模型与实验测试分析可知,该算法在不同访存特征下平均内存带宽能达到理论值的70%以上,与主核串行算法相比具有平均10倍和最高45倍的加速性能。同时通过对多个不同领域的应用进行测试分析也证明了该算法的普适性。

摘要： FVCOM是由美籍华人陈长胜教授作为负责人,联合美国伍兹霍尔海洋研究所等机构的科研人员开发出来的非结构网格三维有限体积海洋数值模型,可对近岸潮流、潮汐情况进行很好的模拟。近岸水位的长周期变化多受到潮汐的影响,但异常增减水现象则可能受到包括风暴潮、径流增大等多种人为与自然因素的影响。为确定近岸异常增减水现象的数值模拟方法,本文对基于FVCOM海洋数值模型的模拟方法进行分析,确定合理的近岸异常增减水现象的数值模拟方法。

摘要： 本文对基于自适应非结构三角形网格的带地形MT数据二维Occam反演进行应用研究。自适应非结构三角形网格能够准确地模拟起伏地形和复杂地质构造,正演网格由有限元解的后验误差估计指导自动细化,保证了模型响应的准确性,反演网格在反演目标区域采用精细网格剖分,在模型边界区域采用粗网格剖分,在满足反演精度的前提下减少了不必要的反演参数。基于快速Occam正则化反演方法,采用伴随方程法推导灵敏度矩阵并结合加权平方法计算模型粗糙度。通过对陆地起伏地形模型和起伏海底模型反演试算,验证了算法的精确性和适用性,能够对陆地及海底起伏地形下的多尺度结构进行成像。然后,将该方法应用于克拉玛依后山区域的实测数据反演处理中,反演得到的电阻率结构与地质资料以及采用非线性共轭梯度反演所得结果相吻合。

摘要： 相比传统的弹簧法等方法,基于球松弛算法的动网格松弛法在复杂边界大变形条件下可以得到质量更高的边界网格以及更大的极限变形量,但该方法在时间效率上还有提升的空间。引入二重网格,采用动网格松弛法进行稀疏网格的网格变形,将边界位移传递到整个网格计算域;再利用二重网格映射,将稀疏网格位移映射到原有计算网格的节点上。算例表明,改进后的动网格松弛法在极限变形量和变形后网格质量基本保持不变的情况下,能够有效地提高网格变形的计算效率。此外还研究了二重网格的粗细网格节点数之比(粗网格为稀疏网格,细网格为原计算网格)对网格变形的影响,算例表明最佳计算效率出现在粗细网格节点数之比为0.5左右时。

摘要： 全球大气模式在发展过程中不断获得改进,并逐渐采用非结构计算网格,如以球面重心Voronoi网格为特点的MPAS-A模式。为改进MPAS-A模式初值,相关的资料同化研究同步在积极开展。本文为实现利用变分方法快速同化多源观测资料的需求,以美国NCEP业务上使用的GSI系统作为同化模块,基于守恒重映射方法进行非结构与结构化球面网格转换,构建了GSI-MPAS同化及预报框架,并进行了网格转换测试和同化预报试验。网格转换检验测试表明,模式物理量的转换误差与其分布特征密切相关,二阶精度守恒重映射转换结果优于一阶精度转换结果。连续一周的滚动循环同化及预报试验表明,基于守恒重映射方法的GSI-MPAS同化及预报框架能够有效同化多源观测资料,改善了初值场的质量并使得MPAS-A预报得到的各个变量更加准确,且对降水预报具有正面效果。进一步分析表明,由于在北半球同化了更多观测资料,所以北半球地区的改进明显优于南半球及赤道地区。

摘要： 网格重排序是提升流体力学CPU和GPU并行计算效率的重要手段之一。对于非结构网格,由于其数据存储无规律,数据的间接访问会导致访存延迟,尤其是在GPU并行计算时,数据的间接访问将引起内存的非对齐访问,放大了访存延迟的影响。对此,采用Reverse Cuthill-Mckee网格重排序方法优化了非结构网格的数据局部性,并设计了一种面向编号重排序方法。算例测试表明,网格重排序不影响最终计算结果。对比分析了网格重排序对非结构求解器在CPU和GPU上的性能影响:对CPU计算,可以使部分热点函数运行时间降低约20%,整体运行时间降低15%~20%;对GPU计算,大部分热点函数运行时间可降低35%~60%,程序整体运行时间降低约40%。

摘要： 采用图染色方法解决通量累加和局部最大压力计算引起的两种典型资源竞争问题,并通过共享内存的使用、体编号和面编号的重排、面数据的重排三种策略优化图染色方法。针对应用在空气动力学多种规模的三维网格,分别采用双精度和单精度操作数,在Nvidia Tesla V100和K80 GPU上,展开性能测试。结果表明:共享内存的优化效果不明显;体编号和面编号重排降低了图染色方法的计算性能;面数据重排可以有效地优化图染色方法;计算性能在V100上提高20%左右,在K80上提高15%左右。

摘要： 在国产异构众核平台神威·太湖之光上的非结构网格计算具有稀疏存储、离散访存、数据依赖等特点,严重制约了众核处理器的性能发挥。为解决稀疏存储和离散访存问题,提出一种N阶对角染色算法,以有效平衡主从核计算并利用从核将全局访存转化为LDM访问。针对数据依赖造成的计算竞争问题,采用自适应和无依赖的任务划分方法,避免并行计算时的数据冲突。为对处理器架构和非结构网格计算进行优化,采用主核与从核异步并行的方式,差异化使用主从核以充分利用硬件资源,同时,取消处理器提供的寄存器通信机制,降低从核阵列的同步开销同时便于扩展到新一代神威平台。此外,使用计算访存异步重叠技术来充分隐藏访存延迟。利用SpMV、Integration、calcLudsFcc算子进行实验,结果表明,相比主核实现,组合加速算法在不同算例规模下平均取得了10倍的加速效果,加速比最高可达24倍,N阶对角染色算法相比非染色分块算法取得了超过5.8倍的性能加速,有效提升了数据局部性和计算并行度。该算法对有依赖关系的计算冲突算子同样具有良好的加速性能,验证了自适应和无依赖任务划分方法的有效性。

摘要： 众所周知,在达到相同精度的情况下,用高阶方法进行大涡模拟,速度可以比二阶方法快几个数量级.由于具有这种潜力,将这些高阶方法"工业化"并在实际中应用已经取得了很大的进展.在过去的十年中,在工业界,特别是在涡轮机械中,大涡模拟的使用已显著增加,这可能是因为燃气轮机中的雷诺数不是特别高,并且此类模拟对理解关键流动机理具有很大影响.在本文中,我们回顾过去十年应用高阶方法在大涡模拟方面取得的最新进展,并展望在不久的将来将大涡模拟推入设计过程最有前景的研究领域.

摘要： 浅水环境下的污染物迁移是一个复杂的物理过程,其数值模拟需要耦舍水动力模型和污染物迁移模型进行求解,设计具有良好可扩展性的并行算法一直是具有挑战性的问题.为了实现上的方便,传统数值算法大多基于结构化网格,时间离散则采用显示或者半隐格式.相对而言,非结构网格具有更好的适应性,方便处理复杂的计算区域.本文基于非结构网格,提出了一种模拟浅水环境污染物迁移过程的有限元并行算法.为了使算法具有更好稳定性和鲁棒性,时间方向采用了二阶BDF全隐格式.为了高效求解时空离散后得到的大规模非线性系统,给出了一种基于区域分解的Newton-Krylov-Schwarz算法,包括三个部分;求解非线性方程组的非精确Newton法及线性搜索和可信域技术,求解子区域线性方程组问题的Krylov子空间迭代法,以及用于线性求解器的限制型加性Schwarz预处理算子.随后,对珠江前航道和珠江出海口的污染物扩散过程进行了简单的测试模拟,并在天河二号超级计算机上对算法的并行性能进行了测试,结果显示本文提出的算法在数千核处理器下具有良好的并行可扩展性能.通过测试算法在不同计算时间步长,不同物理参数下的收敛性质,验证了算法具有较好的稳定性和鲁棒性.

摘要： 目前,裂缝性油藏数值模拟多采用双重介质模型,该模型对裂缝的分布采用了理想化假设,导致应用于实际油藏时精度无法保证;同时,传统的离散裂缝网络往往只用于双重介质模型参数的计算,而无法直接应用于油藏模拟计算,导致高精度的裂缝模型与数值模拟模型之间的脱节.基于蚂蚁体、成像测井等多尺度裂缝研究成果,建立离散裂缝模型,并应用非结构网格对离散裂缝进行精细描述,实现了对裂缝系统从几何形态到渗流行为的逼真细致的描述.A油田的应用结果表明,基于非结构网格的离散裂缝模型在单机单CPU上运算耗时仅11小时,是Intersect模拟器在16节点机群上运算耗时的1/2,而且计算的未拟合的单井主要指标与历史观测值符合率达到74.5％,远高于双重介质模型27.5％的符合率.

摘要： 针对非结构网格提出了一套在已有网格中构造裂隙的方法.该方法首先在已有非结构网格的基础上采用增量方法构建近似裂隙,然后利用基于网格变形/动网格的修正方法来修正裂隙.裂隙的近似形式和修正形式均可用于后续数值计算.测试算例表明了该方法的有效性.

摘要： 本文面向高性能数值模拟,分析了基于并行应用编程框架快速研发并行数值模拟软件存在的挑战.在此基础上,以JAUMIN(J parallel Adaptive Unstructured Mesh applications INfrastructure)框架的应用为例,设计并实现了一种面向非结构网格数值模拟应用并行程序的图形化编程工具.该编程工具采用基于结构化流程图的图形化编程方式,屏蔽JAUMIN框架的编程接口,帮助用户在不学习编程框架的基础上快速开发基于编程框架的并行应用程序.实际应用表明,该工具可以显著提升并行应用软件的研发效率,降低用户编写并行数值模拟程序的难度.由于编程工具生成的代码规范统一,系统的维护效率也得以大幅度提高.

摘要： 非结构网格预处理方法是非结构网格CFD并行计算关键技术之一,论文针对数千万网格规模预处理建图时间过长问题,提出基于主从动态并行的快速搜索算法建立全局网格单元邻接关系图,减少预处理过程存储量和计算时间,实验结果表明该方法能够显著降低复杂大网格量实际问题的非结构网格预处理建图时间,并具有较好的并行可扩展性。

摘要： 本文采用基于非结构网格的点隐高精度WENO有限体积法求解化学反应流动.与基于结构化网格的WENO格式不同,基于非结构化网格的WENO格式的模板不是沿一个方向扩展模板,而是向周围所有方向进行扩展;然后,对各个模板上的低阶重构函数进行加权以实现高阶精度.WENO格式通过光滑因子来自动调整权系数,使得在光滑区获得高阶精度并同时在间断附近保持基本不振荡.算例表明点隐法比显式时间处理具有更好的鲁棒性和准确性,所得结果与文献结果吻合地较好,能够很好地捕捉到爆轰波传播的位置和基本形态.

摘要： 许多的工程应用都涉及到两相流动,而两相流动数值计算中的颗粒追踪定位需要快速稳健的颗粒定位算法.本文提出一种沿着颗粒轨迹搜索的颗粒定位算法,算法的关键是找到颗粒逸出面.这种方法可以应用到二维和三维非结构网格;算法思路简洁,易于程序实现,并且快速、稳健;能够有效处理小洞、壁面等复杂网格中的内外边界问题.最后,利用二维和三维算例来证明这种颗粒定位算法的有效性和快速性.

摘要： 由于直流电阻率法(DC)理论简单,野外施工方便高效,该方法已被广泛应用于近地表矿产资源勘探、环境与水文监测及工程勘查等领域.最近几年来,为获得近地表更精确而详实的电性结构特征,三维直流电阻率勘探已成为一种不可或缺的地球物理技术手段.本文采用非结构网格剖分，实现了基于有限元的直流电阻率三维正反演算法。正演方面，通过将待求解的总电势分解为参考电势和二次电势，利用二次电势方法来消除场源奇异性的影响；对于起伏地形，通过采用虚拟电势方法[3-4]来高效的求得精确的参考电势。反演方面，由于反演过程一般是通过求解目标泛函的最小化问题来获得最优的电性结构模型，在每次反演迭代中需要求解模型的灵敏度矩阵。然而，直接求解灵敏度矩阵会涉及到大量的正演计算以及存储需求，产生巨大的计算开支，对于常规计算平台，这往往是无法承受的。为避免直接求解灵敏度矩阵，本文采用非精确高斯牛顿法[5]（Inexact Gauss Newton，IGN）。在每次GN迭代中，采用预条件共轭梯度法（preconditioned ConjugateGradient，PCG）来求解法方程。由于只需求解灵敏度矩阵与特定向量的乘积，即一次正演问题的求解和一次伴随正演问题的求解，极大地降低了计算量以及内存需求。通过理论模型的测试，验证了所开发的直流电阻率三维正反演算法的正确性。

摘要： 气动热环境的精确预测对于高超声速飞行器设计至关重要,为了缩短任务周期,有必要在非结构/混合网格上开展高精度的气动热环境数值计算方法研究.以往的研究表明网格类型的不同会导致热流计算结果的较大差异,因此有必要降低算法的网格相关性.本文在风雷软件平台上综合应用三种多维方法,并基于常规混合网格(边界附近三棱柱和外场的各向同性四面体)对包含钝锥、钝双锥、双椭球和空天飞机等多种外形进行了数值模拟,得到了与实验值吻合较好的热流计算结果.结果对比表明多维方法可以有效降低数值方法的网格相关性,并能够改善非结构/混合网格上的热流计算结果,为非结构/混合网格热流计算在复杂工程中的应用奠定了基础.

摘要： 基于非结构网格,采用Godunov类型的有限体积格式建立了求解二维非线性浅水方程的数值模型,以模拟复杂地形上溃坝洪水演进过程.模型采用GPU加速计算技术来大幅提升计算效率.通过算例模拟溃坝试验和Malpasset溃坝过程,证实了所建模型具有较好的稳定性和较高精度.与相应的CPU程序计算结果对比,在精度一致的情况下,GPU模型能提速20倍以上.故所建模型是模拟复杂地形上溃坝洪水演进过程的理想工具.

摘要： 本发明公开了一种基于网格框架的非结构附面层网格生成方法，包括以下步骤：S1.利用Pointwise进行数模离散，生成表面网格并作为方法的输入；S2.根据表面网格的几何特征提取出支撑点，再通过支撑点与其法向量计算出框架支撑线；S3.通过径向基函数插值方法得到轮廓线；S4.在轮廓线和表面网格的基础上，再次利用径向基函数插值得到附面层顶层网格；S5.通过一种线性插值生成附面层内部网格。通过对生成的自动性和对局部网格质量的控制能力进行仿真实验可以看出本发明的方法所生成网格的精度满足使用要求。

摘要： 本发明公开了一种基于网格框架的非结构附面层网格生成方法，包括以下步骤：S1.利用Pointwise进行数模离散，生成表面网格并作为方法的输入；S2.根据表面网格的几何特征提取出支撑点，再通过支撑点与其法向量计算出框架支撑线；S3.通过径向基函数插值方法得到轮廓线；S4.在轮廓线和表面网格的基础上，再次利用径向基函数插值得到附面层顶层网格；S5.通过一种线性插值生成附面层内部网格。通过对生成的自动性和对局部网格质量的控制能力进行仿真实验可以看出本发明的方法所生成网格的精度满足使用要求。

摘要： 本发明提供了一种结构网格动网格技术应用于非结构网格流场求解器的方法，包括以下步骤：在合理拓扑结构设计基础上，采用代数法与椭圆型方程优化相结合生成初始外形结构网格；分别输出结构网格形式文件和非结构网格形式文件；建立非结构网格点和结构网格点的对应关系，确定每个非结构网格点对应的结构网格点序号；对于边界变形情况，运用结构网格动网格技术更新网格，根据对应关系得到新的非结构网格用于非结构网格流场求解器计算。该方法通过将高效鲁棒的结构网格动网格方法应用于非结构网格流场求解器，提高了非结构网格流场求解器在处理边界运动问题时的效率和能力。

摘要： 本发明提供一种从二维非结构网格重构结构网格的方法、介质及装置；所述方法包括如下步骤：S1，生成非结构网格；S2，构建非结构网格之间的相邻关系；S3，基于非结构网格之间的相邻关系重构网格行；S4，重构网格行后再根据结构网格的排列规则重构网格块。本发明实现了从二维非结构四边形网格重构结构网格的过程，获取了结构网格信息，从而可以使非结构求解软件按照结构网格的方式开展部分计算，如多重粗网格聚合等方面，获取结构网格所特有的计算效果，提升非结构求解软件的计算性能。

摘要： 本发明属于网格计算技术领域，具体涉及种针对Tecplot软件格式非结构网格CFD计算的网格边界条件处理方法。本发明包括建立网格信息、定义边界类型、提取体网格外边界信息、穷举法实现第一个节点匹配、以波阵面形式进行余下节点匹配、边界面单元匹配与边界条件赋值等步骤。利用本发明提出的非结构网格边界面与网格面之间的快速匹配方法，可以将Tecplot格式非结构网格的网格边界条件快速的映射到内场体网格的相应边界面上，实现非结构网格边界条件信息的快速处理，有效减少计算机时。

摘要： 一种规则网格速度模型的自适应非结构三角网格化方法，该方法将网格生成过程类比为骨架平衡的过程，生成网格大小随速度自适应分布的高质量网格。此外该方法考虑速度模型的二阶梯度场的信息，将网格节点映射到规则网格模型定义的隐式物性分界面上，使非结构网格单元的边与速度模型中的物性分界面自适应贴合，实现了规则网格模型向非结构网格的准确转化，达到保存重要物性分界面的目的，为有限元的数值模拟方法提供可靠的非结构网格模型。

摘要： 本发明提供了一种结构网格动网格技术应用于非结构网格流场求解器的方法，包括以下步骤：在合理拓扑结构设计基础上，采用代数法与椭圆型方程优化相结合生成初始外形结构网格；分别输出结构网格形式文件和非结构网格形式文件；建立非结构网格点和结构网格点的对应关系，确定每个非结构网格点对应的结构网格点序号；对于边界变形情况，运用结构网格动网格技术更新网格，根据对应关系得到新的非结构网格用于非结构网格流场求解器计算。该方法通过将高效鲁棒的结构网格动网格方法应用于非结构网格流场求解器，提高了非结构网格流场求解器在处理边界运动问题时的效率和能力。

摘要： 本发明提供一种从二维非结构网格重构结构网格的方法、介质及装置；所述方法包括如下步骤：S1，生成非结构网格；S2，构建非结构网格之间的相邻关系；S3，基于非结构网格之间的相邻关系重构网格行；S4，重构网格行后再根据结构网格的排列规则重构网格块。本发明实现了从二维非结构四边形网格重构结构网格的过程，获取了结构网格信息，从而可以使非结构求解软件按照结构网格的方式开展部分计算，如多重粗网格聚合等方面，获取结构网格所特有的计算效果，提升非结构求解软件的计算性能。

摘要： 本发明提供一种从非结构网格中重构原结构网格的方法、介质及装置，所述方法包括步骤一，生成网格：通过网格软件生成结构网格，按照非结构网格的格式输出非结构网格数据；步骤二，构建相邻关系：遍历非结构网格数据，将拥有相同节点的面视作同一个面，将拥有同一个面的两个网格单元标记为相邻网格单元，从而构建网格单元之间的相邻关系；然后步骤三、步骤四和步骤五根据非结构网格数据和各单元之间的相邻关系重构原结构网格。本发明实现了从非结构化的结构网格中重构原结构网格，能够解决当前非结构化的结构网格不能按照结构网格方式进行多重聚合的问题。

摘要： 一种规则网格速度模型的自适应非结构三角网格化方法，该方法将网格生成过程类比为骨架平衡的过程，生成网格大小随速度自适应分布的高质量网格。此外该方法考虑速度模型的二阶梯度场的信息，将网格节点映射到规则网格模型定义的隐式物性分界面上，使非结构网格单元的边与速度模型中的物性分界面自适应贴合，实现了规则网格模型向非结构网格的准确转化，达到保存重要物性分界面的目的，为有限元的数值模拟方法提供可靠的非结构网格模型。