摘要: 热工水力学研究是反应堆设计和安全分析中十分重要的环节，由于理论分析计算量大、全尺度实验受限的问题，采用计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)方法进行数值模拟是反应堆热工水力分析的重要手段。随着复杂工况对物理建模、求解精度的要... 展开 热工水力学研究是反应堆设计和安全分析中十分重要的环节，由于理论分析计算量大、全尺度实验受限的问题，采用计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)方法进行数值模拟是反应堆热工水力分析的重要手段。随着复杂工况对物理建模、求解精度的要求不断增大，谱元法成为CFD研究的前沿热点，使用谱元法求解未经湍流模型简化的Navier-Stokes方程进行直接数值模拟(DirectNumericalSimulation，DNS)可以实现复杂应用场景下的流体湍流运动捕捉。但是由于谱元法本身的计算复杂度较高，加之DNS对网格尺度的要求导致问题规模增大，使用谱元法进行直接数值模拟对计算、存储资源的需求巨大，需要与E级超算相结合才能实现。我国目前已拥有多台自主研发的E级原型机，均基于异构多核架构，但目前基于谱元法的DNS软件与E级超算的适配尚处于起步阶段，缺少自主产权的软件。面向异构多核架构的DNS软件在数值方法、并行实现、负载均衡、访存带宽等方面存在许多挑战，针对超算的具体架构进行谱元法DNS软件的设计与实现有重要研究意义。本文基于曙光E级原型机的异构多核架构进行谱元法直接数值模拟软件的设计与实现，主要做了以下的工作: (1)基于多处理器并行的谱元法DNS软件的设计与实现。以网格为基本计算单元，通过共享插值点间数据交换实现并行化，解决了谱元法DNS软件前处理和计算核心模块运行时间长的问题。 (2)基于深度计算单元（DeepComputingUnit，DCU）的谱元法DNS软件异构优化实现。根据谱元法的数学原理进行分析并验证得到程序的计算热点为亥姆霍兹算子的构造。根据DCU硬件架构，为亥姆霍兹算子的构造设计分块并行策略，并进行访存优化。 (3)谱元法DNS软件的正确性验证和性能验证。经过算例验证，以16核下的并行效率为基准扩展至256核时可以取得83.4％的强扩展效率和96.8％的弱扩展效率;各进程单DCU加速比最高5.31，4*DCU加速比最高6.27。 收起