跨流域流动统一随机粒子USP方法的高性能计算OA

跨流域流动广泛存在于行星再入等极端飞行环境,其多尺度特性对传统数值方法提出了严峻挑战。统一随机粒子(unified stochastic particle,USP)方法通过碰撞项的宏观-微观分解及运动-碰撞耦合求解,突破了传统随机粒子方法在连续流域的时空步长限制,显著提升了跨流域流动的计算精度与效率。本文基于多原子混合气体的USP方法,发展了统一随机粒子求解器(unified particle solver,UniPS),并将其应用于三维跨流域高速流动的数值模拟。该求解器采用非结构网格与MPI/OpenMP混合并行架构,针对粒子算法特征对运动与碰撞等核心模块实施了并行与内存优化。通过对三维钝锥及喷管真空羽流两类典型算例的数值验证,结果表明:UniPS求解器在跨流域范围内均具有良好的计算精度与并行效率,其中USP-DSMC混合方法在连续流域的计算结果与参考解吻合良好,且在相同精度要求下较纯DSMC方法可获得约1个量级的加速;MPI/OpenMP混合并行在1536线程规模下并行效率达64%。该求解器可有效支撑高速跨流域流动的高效数值模拟。