【摘 要】
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将CPU集群下成熟的非结构网格CFD软件移植到GPU异构平台.构建了适用于GPU架构且线程安全的矢量化循环；建立了无数据依赖的DP-LUR隐式时间推进方法；利用CUDA提供的统一内存管理技术，以较小的改造开销实现了基于GPU异构体系的非结构网格CFD数值模拟软件，在双精度下单GPU对单CPU处理器核的加速比超过6.
【机 构】
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中国航天空气动力技术研究院,北京 100074
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将CPU集群下成熟的非结构网格CFD软件移植到GPU异构平台.构建了适用于GPU架构且线程安全的矢量化循环；建立了无数据依赖的DP-LUR隐式时间推进方法；利用CUDA提供的统一内存管理技术，以较小的改造开销实现了基于GPU异构体系的非结构网格CFD数值模拟软件，在双精度下单GPU对单CPU处理器核的加速比超过6.
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紧致格式比显式格式具有更好的谱特性，因此在湍流及气动噪声等多尺度流动模拟中备受青睐。为了进一步使紧致格式具有更好的色散特性和更低的耗散，本文提取紧致中心格式中两个自由度用于耗散色散谱特性优化，采用DRP优化思路为基于插值格式的有限差分方法设计了一系列优化紧致格式(L-Opts/7/9)。
在页岩气开采过程中，由于水的存在，流动通道内会出现气水两相同时流动的情况，而对于微纳尺度的流动而言，表面张力会在流动过程中占据主导地位，水的存在会堵塞流动通道，造成“水堵”现象。因此，气水两相界面的流动机理和力学性质对于分析气体在页岩中的流动状态而言至关重要。
本文利用CFD模型对活塞推动式层流涡环形成过程数值模拟,获取高空间分辨率和高时间分辨率的速度场,通过此速度场分别识别流场中的拉格朗日拟序结构。通过对类光测地线的有效计算的自动化识别程序,获取流场的椭圆型LCSs,其椭圆LCSs族的最外层称为拉格朗日相干涡结构,通过示踪识别不同时刻的椭圆LCSs,其在时空上具有相干性质,在一定时间内而不会演化为丝状结构；椭圆型LCSs非定常旋涡边界比基于涡量闭值的边
气体动理学格式(Gas-Kinetic Scheme GKS)是近年发展起来的一种基于介观气体动理论的新型数值方法.GKS利用BGK方程的近似解来构造网格界面上随时间演化的通量，自动耦合粘性和无粘通量，在连续流区的计算量和传统直接基于NS方程的CFD方法相当.由于BGK方程可以描述任意初始分布函数的演化过程，内涵自适应耗散机制，因而在多种流动，尤其是高马赫数粘性流动中能更好地兼顾精度与稳健性.
在多体分离、舱门开启、返回舱降落与螺旋桨滑流等非定常流动模拟中，常采用嵌套网格“挖洞”、找点和插值等技术。在不同网格之间通常采用插值方法解决网格之间的信息传递，实质就是根据背景网格的物理量分布在插值网格上重建物理量。嵌套网格间高精度插值是保证流场计算正确的重要基础。
本文提出了一种梯度光滑法(Gradient Smoothing Method,GSM)与格子Boltzmann的耦合数值方法。基于宏观与介观两种流体计算方法的耦合,该方法能够实现多尺度数值模拟。根据计算需要,计算域可进行分区划分并建立耦合区域。在耦合区域边界上利用重构算子实现GSM中的宏观变量与LBM中的密度分布函数之间的流动信息传递,而且这两种变量在其对用的方法中均存储在网格节点上。
在针对复杂外形的网格生成方法中，相对于传统的分区结构网格方法和非结构网格生成方法，自适应笛卡尔网格在自动化生成高质量网格方面具有很大优势。目前，笛卡尔方法在无粘和层流流动等问题上已经取得了很多成功的应用，但是湍流问题对于该方法而言仍然较难处理。本文基于自适应笛卡尔网格生成技术，发展适用于高雷诺数可压缩流动问题自动高效的网格生成方法。
针对三维粘性流动提出了一种快速指数时间推进格式，并成功应用到三维任意高阶间断有限元的时间推进计算中。这种新型指数格式具有强稳定性、无时间步长约束、绝对时间误差低的特点；对定常，非定常流动均能高效求解。在定常流动计算中，其收敛速度与隐格式相当；在非定常流动中，其精度与效率之比远超于常用的二阶精度全隐后差分格式(BDF2)。
随着流体力学应用需求的发展，非定常流动模拟的LBM方法研究日益活跃.Reider和Sterling在离散Boltzmann-BGK方程基础上，首次采用有限差分技术，时间递进上采取四阶Runge-Kutta格式，证明了有限差分格子Boltzmann方法的可行性.Cao等将该方法应用于非均匀网格，使时间步长的选取不再与空间步长相关.
多组分流体流动广泛存在于自然界与科学工程领域。数学上，多组分流体流动可以用基于Maxwell-Stefan理论的组分守恒方程和经典的Navier-Stokes方程来描述。本文给出了一种求解此类多组分宏观方程的格子Boltzmann模型，并通过详细的Chapman-Enskog分析证明了该模型可以准确恢复这类宏观方程。