大规模并行流固耦合模拟软件平台

应用领域和功能范围

大规模并行流固耦合模拟软件平台（简称模拟平台）是一个涉及计算数学、物理、化学、大规模并行计算、软件工程等多个学科交叉的大型软件工程。最初基于武器化爆安全性的研究需求而开发，经过多年功能完善和扩展，目前可应用于化爆安全，武器毁伤能力，油气管道安全性等国防和工程领域。

模拟平台是一个能够支持多物理过程和多种数值方法的大型跨平台全三维复杂软件工程。目前已经具备主要功能有：

（1）全速流模拟：能够实现从低速到高速的全速流模拟；

（2）复杂物理过程仿真：纯固体、纯流体、化学反应以及流固耦合的等复杂物理过程的建模和模拟；

（3）物理过程匹配的高效数值算法：根据每个物理过程的时空尺度和物理建模选择适用的数值方法；

（4）高度的并行可扩展性：复杂流固耦合等工程问题的全三维高精度数值模拟需要数千至数十万核的大规模并行能力，软件平台可将涉及的所有物理过程的数值模拟有效地组合，在复杂多核异构高性能计算机上实现高度的并行可扩展性，实现全三维高精度的数值模拟。

功能优势

相比于ANSYS，ABQUAS等商业软件，该模拟平台具有以下功能优势

1. 大变形过程研究：传统商业软件采用FEM方法在保证计算精度的同时带来了难以克服的网格大变形问题。MPM方法非常适用于于大变形研究，但精度通常低于FEM，且与围绕计算网格移动的粒子相关的误差会引入非物理振荡。模拟平台采用GIMP方法提高了计算精度，解决了非物理振荡问题。

2. 基于第一原理的化学反应模型：传统化学反应模型有诸多可调参数，需要根据试验进行标定，本模拟平台的化学反应模型通过第一原理模拟构建，不含实验标定参数。

3. 高可扩展的并行性：基于DAG图调度技术研制的并行框架是目前国际上认为最为有效的适用于E级超级计算机体系的并行化框架。

主要功能

模拟平台主要包含6方面功能模块：

1. 软件基础功能组件，包括几何、容器、异常处理、块结构AMR网格等。

2. 并行组件。包括MPI并行管理组件，负载平衡组件、任务调度组件，并行I/O组件等。

3. 多介质全速流体计算组件。包括对流计算、压力隐式求解、反应物和产物状态方程等。

4. 物质点方法组件，包括基于块结构AMR网格的物质点方法、材料本构等功能模块。

5. 基于3和4，研制流固耦合计算组件。

6. 全速流计算组件，物质点方法组件，流固耦合应用组件的典型算例和验证。

平台采用公共组件架构，将各个功能组件化。组件之间通过公共接口灵活组合，相关组件仅依赖公共接口，实现了各个组件间的隔离解耦。根据组件功能分为核心组件层、并行组件层和应用组件层。模拟不同物理过程的组件属于应用组件层。

1. 核心组件层包括数据结构、异常处理、容器、网格等组件。

2. 并行组件层基于DAG图的任务调度技术，实现数万至数十万核的并行可扩展性，包括并行管理组件、任务调度组件、负载平衡组件、并行I/O组件等。

3. 流固耦合组件采用全速流计算和物质点方法相结合的方法解决流固耦合计算中的界面大变形问题，包括全速流计算组件、物质点方法组件、状态方程和材料本构组件等多个组件。

典型算例：

1. 2维黎曼问题（网格自适应）

2. 复杂结构的压缩过程

3. 炸药的烤燃、爆轰过程

运行环境

模拟平台可以在个人电脑、工作站、分布式机群和高性能计算机上运行，支持各种Linux/Unix发行版和windows操作系统，安装非常简单。