大規模并行流固耦合模擬軟件平臺

應用領域和功能范圍

大規模并行流固耦合模擬軟件平臺（簡稱模擬平臺）是一個涉及計算數學、物理、化學、大規模并行計算、軟件工程等多個學科交叉的大型軟件工程。最初基于武器化爆安全性的研究需求而開發，經過多年功能完善和擴展，目前可應用于化爆安全，武器毀傷能力，油氣管道安全性等國防和工程領域。

模擬平臺是一個能夠支持多物理過程和多種數值方法的大型跨平臺全三維復雜軟件工程。目前已經具備主要功能有：

（1）全速流模擬：能夠實現從低速到高速的全速流模擬；

（2）復雜物理過程仿真：純固體、純流體、化學反應以及流固耦合的等復雜物理過程的建模和模擬；

（3）物理過程匹配的高效數值算法：根據每個物理過程的時空尺度和物理建模選擇適用的數值方法；

（4）高度的并行可擴展性：復雜流固耦合等工程問題的全三維高精度數值模擬需要數千至數十萬核的大規模并行能力，軟件平臺可將涉及的所有物理過程的數值模擬有效地組合，在復雜多核異構高性能計算機上實現高度的并行可擴展性，實現全三維高精度的數值模擬。

功能優勢

相比于ANSYS，ABQUAS等商業軟件，該模擬平臺具有以下功能優勢

1. 大變形過程研究：傳統商業軟件采用FEM方法在保證計算精度的同時帶來了難以克服的網格大變形問題。MPM方法非常適用于于大變形研究，但精度通常低于FEM，且與圍繞計算網格移動的粒子相關的誤差會引入非物理振蕩。模擬平臺采用GIMP方法提高了計算精度，解決了非物理振蕩問題。

2. 基于第一原理的化學反應模型：傳統化學反應模型有諸多可調參數，需要根據試驗進行標定，本模擬平臺的化學反應模型通過第一原理模擬構建，不含實驗標定參數。

3. 高可擴展的并行性：基于DAG圖調度技術研制的并行框架是目前國際上認為最為有效的適用于E級超級計算機體系的并行化框架。

主要功能

模擬平臺主要包含6方面功能模塊：

1. 軟件基礎功能組件，包括幾何、容器、異常處理、塊結構AMR網格等。

2. 并行組件。包括MPI并行管理組件，負載平衡組件、任務調度組件，并行I/O組件等。

3. 多介質全速流體計算組件。包括對流計算、壓力隱式求解、反應物和產物狀態方程等。

4. 物質點方法組件，包括基于塊結構AMR網格的物質點方法、材料本構等功能模塊。

5. 基于3和4，研制流固耦合計算組件。

6. 全速流計算組件，物質點方法組件，流固耦合應用組件的典型算例和驗證。

平臺采用公共組件架構，將各個功能組件化。組件之間通過公共接口靈活組合，相關組件僅依賴公共接口，實現了各個組件間的隔離解耦。根據組件功能分為核心組件層、并行組件層和應用組件層。模擬不同物理過程的組件屬于應用組件層。

1. 核心組件層包括數據結構、異常處理、容器、網格等組件。

2. 并行組件層基于DAG圖的任務調度技術，實現數萬至數十萬核的并行可擴展性，包括并行管理組件、任務調度組件、負載平衡組件、并行I/O組件等。

3. 流固耦合組件采用全速流計算和物質點方法相結合的方法解決流固耦合計算中的界面大變形問題，包括全速流計算組件、物質點方法組件、狀態方程和材料本構組件等多個組件。

典型算例：

1. 2維黎曼問題（網格自適應）

2. 復雜結構的壓縮過程

3. 炸藥的烤燃、爆轟過程

運行環境

模擬平臺可以在個人電腦、工作站、分布式機群和高性能計算機上運行，支持各種Linux/Unix發行版和windows操作系統，安裝非常簡單。