多学科耦合计算软件相关问题初步的研究.pdfVIP

第十四届全国计算流体力学会议论文集 多学科耦合计算软件相关问题初步研究 赫 新，张来平，邓小刚，陈坚强 (中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳62100) 摘 要：随着解决问题的不断深化，学科交叉，多层次多物理场耦合问题的出现，为计算方法和计 算软件提供了更高层次的要求。以计算机硬件为依托的计算方法和计算软件广泛应用于国民经济和国防科 技的各个方面。本文拟就智能化多学科耦合计算涉及的复杂体系结构建立、数据结构的规范、基于混合网 格的混合算法和并行计算方法、软件的集成与实现等方面开展一些初步的应用基础研究，希望通过关键技 术的研究，研制具有良好的体系结构、规范的数据结构和良好的可扩充性的多学科耦合计算研究与应用支 撑平台。 关键词：多学科；混合算法；数据结构；并行计算 0引言 计算机科学和技术日新月异的迅速发展，计算机性能的不断提升为计算流体力学的发展提供了 充分的条件。随着解决问题的不断深化，学科交叉，多层次多物理场耦合问题的出现，为计算方法 和计算软件提供了更高层次的要求。以计算机硬件为依托的计算方法和计算软件广泛应用于国民经 济和国防科技的各个方面∽3。CFD(计算流体力学)具有成本低、快捷方便、提供流场信息丰富等 突出优势。随着需要解决的问题越来越复杂，CFD软件也经历了从结构求解器向非结构求解器过渡 的这样一个发展趋势。结构网格求解器具有易于理解和编程的特点，在CFD发展的早期得到广泛应 用。随着工程问题的外型越来越复杂，结构求解器逐渐从单块网格发展到具有任意对接拓扑的多块 结构求解器。由于工程模拟的要求也是在不断提高，原有的多块对接网格求解器甚至拼接网格求解 器在处理一些复杂问题时，往往会出现各种各样的问题。，非结构求解器在处理复杂外型方面有着天 然的优势，但是缺点就是精度不高，内存的消耗大，计算时间长∽’。而且对于任意的非结构网格来 说，对边界层等需要精细模拟的地方效果不是很理想。随着工程应用对于计算精度、计算精度效率 以及对于复杂外型适应能力的要求越来越高，有必要发展集合结构网格和非结构网格以及两种求解 器的优势，综合两者特点的新一代混合求解器。这种求解器不仅是网格混合，而且求解器本身也是 混合的。基于混合网格和混合求解器的新一代计算平台具有多学科和智能化的特点。本文拟针对这 种求解平台开发中的一些关键问题提出解决方案。 1 基于c++编程技术的大型多学科耦合计算 C++是当前大型软件的主流技术之一。基于开发和维护的性价比来说，C++在处理大型软件系统 方面有着天然的优势。由于本文的研究需要将不同求解器和不同的网格进行动态的任意绑定，而且 需要许多轻量级的数据库和其它类库的自主研发，所以选择C++作为编程语言是比较合适的，也符 合目前大型计算软件的开发趋势。 现在数值计算方面也有许多类库可以参考，但是真正实用这些类库现在时机还不成熟。比如在 本文的研究中需要进行结构求解器和非结构求解器的耦合计算，由于原结构求解器的需要用到多维 数组，软件中必须加入多维数组的类库。现有的较成熟的类库，如Blitz++过于庞大，这样的类库 加的过多，必然导致软件系统头重脚轻，难于理解和维护。 2控制方程的抽象 839 第十四届全国计算流体力学会议论文集 _ _——————————————————————————————————————————————————————_—————————————————--—一 多学科耦合平台的控制方程不是单一的，而是非常复杂的。随着解决问题的不同，可能会出现 诸如Ns方程，电磁场控制方程，磁流体控制方程，化学反应速率方程，以及结构力学方程等等多种 不同的控制方程。这些不同的方程统一起来具有较大难度。而且随着网格分区的不同，每块网格上 的流场求解器也不尽相同，这就需要采取灵活的体系结构。下面仅以网格和解算器为例说明抽象的 具体过程。 2．1解算器进行抽象 所有求解器均被抽象成Solver，并从Solver类派生。 class Solverf public： virtualvoidActionReflect(intaction){)： virtualvoidAction(ActionKey*ac