一种飞行器气动特性模拟的OpenMP并行扰动域更新方法技术

一种飞行器气动特性模拟的OpenMP并行扰动域更新方法,包括数据读入，静态区域分解，建立动态计算域，动态区域分解，分配存储空间，边界条件处理，残差估计，时间积分，块内增大对流动态域，块内缩小动态计算域，块内增大粘性动态域，块内缩小粘性动态域，块间增大动态计算域，判断求解是否达到收敛条件，结果输出等步骤，可以实现针对现有并行数值模拟方法在模拟飞行器气动特性时存在大量无效计算而现有扰动区域更新方法开展大规模并行时计算效率可能损失的问题。能损失的问题。能损失的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种飞行器气动特性模拟的OpenMP并行扰动域更新方法


[0001]本专利技术涉及计算流体力学领域，特别涉及一种飞行器气动特性模拟的OpenMP并行扰动域更新方法。

技术介绍

[0002]计算流体力学数值模拟已改变了当代飞行器的设计流程，成为各类先进飞行器设计中不可或缺的关键技术。通过将现有技术与新技术高效融合，不断提升数值模拟的计算效率，对提高飞行器设计迭代效率、缩短研制周期具有重要的工程应用价值。
[0003]并行技术，是开展飞行器气动特性模拟必须使用的加速技术之一。并行技术的加速原理主要是通过区域分解策略将计算任务分解成多个子任务并行处理，从而通过降低串行处理的计算量实现单位时间的求解加速。对于飞行器气动特性的模拟，区域分解策略是将计算网格均匀分配给线程（进程），各线程（进程）同时以相同数值方法求解，并通过网格交界面的数据交换实现整个流场求解的统一。OpenMP是飞行器气动特性模拟中常用的CPU并行编程模式，以并行任务共享内存为特征，具有通信开销低、支撑细粒度循环级并行等优势。
[0004]目前，基于传统数值模拟方法发展的OpenMP并行计算主要存在两点影响计算效率的因素。其一，采用全局更新求解的计算策略，产出大量无效计算，从而严重影响计算效率。为避免传统数值模拟方法中的无效计算，专利文献ZL 201810250654.8已建立了名为“扰动区域更新方法”的新型加速技术。不过，在面对需大规模并行计算模拟的问题时，该方式所提技术仍需进一步补充算法并行化、数据交换量最小化等其他关键技术，否则将出现计算效率的明显损失。其二，采用按网格块存储数据、按网格块遍历数据的常规数据结构与循环结构，未利用OpenMP并行共享内存的特征，产生多余的内边界处理操作，从而影响计算效率。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种飞行器气动特性模拟的OpenMP并行扰动域更新方法，既可应对现有并行数值模拟方法在模拟飞行器气动特性时存在大量无效计算的问题，又可解决现有扰动区域更新方法开展大规模并行时计算效率可能损失的问题，还可基于新的数据结构与循环结构最少化内边界处理的工作量。
[0006]本专利技术提供了一种飞行器气动特性模拟的OpenMP并行扰动域更新方法，包括如下步骤：S1：数据读入——分配网格坐标和块信息的存储空间，读入飞行器流场的多块结构化网格、边界条件、计算设置数据；S2：静态区域分解——将读入的多块结构化网格合并至最小块数；根据该网格的单元数将网格分为网格子块并均匀分配给线程；S3：流场初始化——按线程并行执行，各线程分配存储流动特性的存储空间，根据
来流条件或给定流场对飞行器流场网格的所有单元赋初值；S4：建立动态计算域——根据壁面边界或指定流场两种方式，建立对流、粘性两类动态计算域；S5：动态区域分解——根据动态计算域单元数，将计算任务平均分配至各线程；S6：分配存储空间——按线程并行，各线程根据所包含动态计算域的范围分配守恒量更新量、当地时间步长等与更新相关变量的存储空间；S7：边界条件处理——按边界并行，为边界虚网格或边界面赋值；物理边界按照其物理定义为虚网格或边界面赋值，内边界需额外存储第一层虚网格的守恒量更新量模值；S8：残差估计——将流动控制方程的残差分为无粘项和粘性项：按线程并行，在对流动态域中计算残差的无粘项，在粘性动态域中计算残差的粘性项；S9：时间积分——按线程并行，在对流动态域中，求解守恒量更新量，更新流场变量；S10：块内增大对流动态域——按网格块并行，将受扰单元加入对流动态域；S11：块内缩小动态计算域——按网格行并行，判断某一对流动态域边界单元是否可从对流动态域中移除，并相应调整粘性动态域；S12：块内增大粘性动态域——按网格行并行，将粘性效应主导单元加入粘性动态域；S13：缩小粘性动态域——按网格行并行，将不受粘性效应主导的粘性动态域边界单元从粘性动态域中移除；S14：块间增大动态计算域——按网格块并行遍历尚未参与计算的网格块，逐一判断其内边界的第一层虚网格单元；S15：判断求解是否达到收敛条件；若是，则跳至步骤S16；若否，则跳至步骤S5；S16：结果输出。
[0007]优选的方式中，所述步骤S1、S2、S5和S15为串行执行。
[0008]优选的方式中，所述步骤S2具体过程为：所述将读入的多块结构化网格合并至最小块数时，依据读入的边界条件，遍历所有内边界；对任一内边界的紧邻两网格块，若其在除内边界法向外的另2个网格方向的单元数完全相同，则将该对网格块合并为一块。
[0009]优选的方式中，所述步骤S4中根据壁面边界建立时，按边界并行执行；根据指定流场建立时，按线程并行执行。
[0010]优选的方式中，步骤S7具体过程如下：S71：网格块间进行数据交换，获取相邻块的守恒量信息；S72：计算并存储第一层虚网格未更新守恒量与新传入的相邻块守恒量之差的模值；S73：更新虚网格内的存储信息。
[0011]优选的方式中，所述步骤S8中无粘项与粘性系数无关，粘性项与粘性系数相关。
[0012]优选的方式中，步骤S10具体包括：S101：判断对流动态域边界单元是否已受到无粘扰动；S102：若该单元已受无粘扰动，衡量无粘扰动的传播方向，将其会受影响的紧邻单
元纳入对流动态域。
[0013]优选的方式中，所述步骤S11具体为通过以下4个条件判断某一对流动态域边界单元是否可从对流动态域中移除：条件1：该单元是否已收敛；条件2：该单元是否位于最上游；条件3：该单元是否位于可压缩流动中；条件4：该单元是否不再受对流动态域中其他单元的影响；若对流动态域某一边界单元同时满足上述4个条件，则该单元将从对流动态域中移除；若该单元同时存在于粘性动态域中，则也将其从粘性动态域中一并移除，以保证粘性动态域始终包含于对流动态域。
[0014]优选的方式中，所述步骤S12具体包括：S121：判断粘性动态域边界单元是否受粘性效应主导；S122：若该单元受粘性效应主导，将其所有位于对流动态域中的紧邻单元纳入粘性动态域。
[0015]优选的方式中，所述步骤S14具体包括：S141：根据虚网格的守恒量更新量模值、守恒量和坐标，判断紧邻内边界实单元是否将受到无粘扰动；若是，则将该实单元加入对流动态域；S142：若紧邻内边界实单元被加入对流动态域，则根据虚网格的守恒量，判断紧邻内边界实单元是否受粘性效应主导；若是，则将该实单元加入粘性动态域。
[0016]本专利技术的一种飞行器气动特性模拟的OpenMP并行扰动域更新方法，可解决现有并行数值模拟方法在模拟飞行器气动特性时存在大量无效计算而现有扰动区域更新方法开展大规模并行时计算效率可能损失的问题。一方面，本专利技术通过采用对流、粘性两类动态计算域并发展动态计算域更新的并行算法，实现仅对未收敛受扰单元求解、仅在局部区域考虑粘性效应的求解思路，从而有效避免传统并行数值模拟方法中的无效计算。另一方面，本专利技术利用OpenMP并行共享内存的特点，通过在数据结构和循环结构中引入网格子块的概念，使本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种飞行器气动特性模拟的OpenMP并行扰动域更新方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：数据读入——分配网格坐标和块信息的存储空间，读入飞行器流场的多块结构化网格、边界条件、计算设置数据；S2：静态区域分解——将读入的多块结构化网格合并至最小块数；根据该网格的单元数将网格分为网格子块并均匀分配给线程；S3：流场初始化——按线程并行执行，各线程分配存储流动特性的存储空间，根据来流条件或给定流场对飞行器流场网格的所有单元赋初值；S4：建立动态计算域——根据壁面边界或指定流场两种方式，建立对流、粘性两类动态计算域；S5：动态区域分解——根据动态计算域单元数，将计算任务平均分配至各线程；S6：分配存储空间——按线程并行，各线程根据所包含动态计算域的范围分配守恒量更新量、当地时间步长等与更新相关变量的存储空间；S7：边界条件处理——按边界并行，为边界虚网格或边界面赋值；物理边界按照其物理定义为虚网格或边界面赋值，内边界需额外存储第一层虚网格的守恒量更新量模值；S8：残差估计——将流动控制方程的残差分为无粘项和粘性项：按线程并行，在对流动态域中计算残差的无粘项，在粘性动态域中计算残差的粘性项；S9：时间积分——按线程并行，在对流动态域中，求解守恒量更新量，更新流场变量；S10：块内增大对流动态域——按网格块并行，将受扰单元加入对流动态域；S11：块内缩小动态计算域——按网格行并行，判断某一对流动态域边界单元是否可从对流动态域中移除，并相应调整粘性动态域；S12：块内增大粘性动态域——按网格行并行，将粘性效应主导单元加入粘性动态域；S13：缩小粘性动态域——按网格行并行，将不受粘性效应主导的粘性动态域边界单元从粘性动态域中移除；S14：块间增大动态计算域——按网格块并行遍历尚未参与计算的网格块，逐一判断其内边界的第一层虚网格单元；S15：判断求解是否达到收敛条件；若是，则跳至步骤S16；若否，则跳至步骤S5；S16：结果输出。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S1、S2、S5和S15为串行执行。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S2具体过程为：所述将读入的多块结构化网格合并至最...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋崇文，胡姝瑶，高振勋，李椿萱，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：