航天器再入各流域复杂绕流问题超大规模可扩展并行算法高效实现与验证

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    91530319
  • 项目类别:
    重大研究计划
  • 资助金额:
    310.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0504.微分方程数值解
  • 结题年份:
    2018
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2018-12-31

项目摘要

With the development of modern billion-flops high-performance computer system, it has become a very important and key basic problem in orbit-control development of the manned space flight project how to establish a large-scale scalable parallel algorithm for efficient and stable operation of hundreds of thousands or more millions of processor cores and to solve the reentry aerodynamics problems around spacecraft covering flow regimes, which it has been being difficult for traditional research methods to compute in the aerospace field. The unified Boltzmann model equation in describing reentry hypersonic flow transport phenomena around large-scale and complex structure spacecrafts will be presented covering the full spectrum of flow regimes from high rarefied free-molecular flow to continuum in this project, and the mathematical model for parallel computation will be set up for the numerical schemes on the Boltzmann model equation. The large-scale parallel algorithm with multilayer domain decomposition for the Boltzmann model equation of multiphase space will be presented for 100PF level heterogeneous supercomputer. The high performance parallel computing platform with high efficient data communication, floating-point operations and automatic fault tolerance will be developed for multi-core heterogeneous CPU/GPU, and the large-scale scalable parallel computing software and application environment will be presented to solve the complex hypersonic aerothermodynamics problems covering the whole of flight regimes from outer space reentry for spacecrafts such as the re-entry module and TianGong craft. The proving and evaluating platform of the low-density wind-tunnel experiment, DSMC and NS coupled parallel algorithm, and implicit GKS and UGKS methods will be established for validation of the extreme-scale parallel computation in solving the Boltzmann model equation. The aerothermodynamics characteristics and complex flow mechanism of the re-entry module and large-scale spacecrafts will be revealed with massively parallel computation. The researching results of this project will form the high-performance computing core competitiveness in solving the Boltzmann model equation of multiphase space relying on our domestic 100P heterogeneous extreme-scale computer with independent innovation research characteristics in the international field.
随着现代亿亿次计算机发展,建立高效稳定运行于海量处理器核超大规模并行算法,解决航天飞行器离轨再入空气动力学难题,已成为载人航天工程轨控研制迫切希望解决的关键基础问题。项目研究提出描述大型复杂结构航天器再入飞行各流域高超声速流动输运现象统一的Boltzmann模型方程及数值求解格式并行计算数学模型,建立求解多相空间Boltzmann模型方程多层区域分解超大规模并行算法,发展具有高效率数据通信、浮点运算与自动容错功能的众核异构高性能并行计算平台,研制适于数万数十万以上CPU核求解大型航天器再入各流域复杂高超声速绕流问题可扩展并行计算软件及使用环境,结合发展DSMC及其与NS耦合并行算法、隐式GKS与UGKS方法及低密度风洞实验验证评估,研究揭示飞船返回舱再入、大型航天器寿命末期离轨陨落跨流域空气动力特性与复杂流动机理,形成依托国产100PF超级计算机多相空间Boltzmann模型方程高性能计算应用研究体系

结项摘要

随着大内存、高速度超级巨型计算机研制使用,高性能并行计算逐渐成为复杂科学计算领域的主宰,高性能计算环境对解决航天飞行器从外层空间再入大气层各流域复杂空气动力学问题面临机遇挑战,项目针对一类共性关键基础问题:超级计算机处理器节点数量超过一定规模,作业运行过程处理器出现问题而中断运行几率急剧增大,极大限制了超级计算运行效率。本项目研究提出描述复杂结构航天器再入飞行各流域复杂高超声速流动输运现象统一Boltzmann模型方程及数值求解格式并行计算数学模型,建立面向100PF超级计算机求解多相空间Boltzmann模型方程多层区域分解超大规模并行算法,发展具有高效率数据通信、浮点运算与自动容错功能的众核异构高性能并行计算平台,研制适于数千数万更大规模处理器核求解航天器再入尤其是项目执行期间正值我国天宫一号目标飞行器超期服役两年半于2016年3月16日突然失灵无控陨落再入过程,通过将研究重心集中在天宫一号陨落再入近空间跨流域多次解体形成非规则解体物气动力热问题,实施大规模精细计算沿弹(轨)道修正当地化关联参数快速预测解体物气动力热耦合飞行力学数值预报。建立了求解Boltzmann模型方程离散速度空间区域分解MPI+Open ACC众核二级并行程序开发架构与基于硬件加速技术的超大规模异构并行算法,形成了求解 Boltzmann 模型方程统一算法、DSMC、N-S 及其耦合算法、隐式气体动理学格式直角网格法、低密度风洞实验验证分析平台,首次实现了天宫一号目标飞行器陨落再入过程多次解体形成非规则解体物气动力热问题大规模并行计算,研制形成了近空间非规则解体物高性能计算验证建设平台。利用此平台软件系统,开展天宫一号无控陨落再入大气层多次解体过程模拟,证实本项目数理建模、并行算法程序软件研制准确可靠性与工程应用价值及进一步研究前景,有力推动新型流体力学高性能计算基础算法与求解Boltzmann模型方程多相空间数值模拟超大规模并行计算技术在解决载人航天工程重大战略需求应用发展。

项目成果

期刊论文数量(43)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(15)
专利数量(1)
A challenging dam structural analysis large-scale implicit thermo-mechanical coupled contact simulation on Tianhe-II
天河二号上具有挑战性的大坝结构分析大规模隐式热力耦合接触模拟
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    Computational Mechanics
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    田荣;周墨瑧;王景焘;李洋;安恒斌;徐小文;文龙飞;王理想;徐权;冷珏琳;徐然;张丙印;刘伟杰;莫则尧
  • 通讯作者:
    莫则尧
基于改进型XFEM的裂纹分析并行软件实现
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    中国科学:技术科学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王理想;文龙飞;田荣
  • 通讯作者:
    田荣
动载下裂纹应力强度因子计算的改进型扩展有限元法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    力学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    文龙飞;田荣
  • 通讯作者:
    田荣
Unified gas-kinetic scheme with multigrid convergence for rarefied flow study
用于稀薄流动研究的具有多重网格收敛的统一气体动力学方案
  • DOI:
    10.1063/1.4994020
  • 发表时间:
    2017-04
  • 期刊:
    Physics of Fluids
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Yajun Zhu;Chengwen Zhong;Kun Xu
  • 通讯作者:
    Kun Xu
An investigation of non-equilibrium heat transport in a gas system under external force field
外力场下气体系统非平衡传热研究
  • DOI:
    10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.05.035
  • 发表时间:
    2016-10
  • 期刊:
    International Journal of Heat and Mass Transfer
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    T. XIAO;K. XU;Q. CAI;T. QIAN
  • 通讯作者:
    T. QIAN

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其他文献

变形杆菌环介导等温扩增检测法的可视化方法的比较
  • DOI:
    10.13320/j.cnki.jauh.2016.0062
  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    申培立;王羽;李志辉;郭梦冉;马晓燕;张伟;马雯;李英军;檀建新
  • 通讯作者:
    檀建新
MPI并行调试与优化策略在三维绕流气体运动论数值模拟中的应用
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    徐金秀;李志辉;尹万旺
  • 通讯作者:
    尹万旺
时效对新型Al-Zn-Mg-Cu合金力学及应力腐蚀性能的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2010
  • 期刊:
    稀有金属
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李锡武;熊柏青;张永安;李志辉;朱宝宏;刘红伟;Li Xiwu,Xiong Baiqing,Zhang Yongan,Li Zhihui,Zhu B
  • 通讯作者:
    Li Xiwu,Xiong Baiqing,Zhang Yongan,Li Zhihui,Zhu B
7150铝合金三级过时效热处理制度
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    中国有色金属学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    韩小磊;熊柏青;张永安;朱宝宏;李志辉;李锡武;王锋;刘红伟;HAN Xiao-lei,XIONG Bai-qing,ZHANG Yong-an,ZHU Bao-
  • 通讯作者:
    HAN Xiao-lei,XIONG Bai-qing,ZHANG Yong-an,ZHU Bao-
基于Boltzmann模型方程的气体运动论HPF并行算法研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    计算物理
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李志辉;张涵信;符松
  • 通讯作者:
    符松

其他文献

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AI项目思路

AI技术路线图

李志辉的其他基金

返回舱(器)再入跨流域热化学非平衡气动力/热绕流问题模拟研究
  • 批准号:
    12332013
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
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  • 项目类别:
    重点项目
近空间飞行器跨流域复杂非平衡绕流问题的模拟研究
  • 批准号:
    91016027
  • 批准年份:
    2010
  • 资助金额:
    300.0 万元
  • 项目类别:
    重大研究计划

相似国自然基金

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  • 批准号:
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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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