CN111539159B - 一种用于模拟发汗冷却的分布式多物理场耦合控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于模拟发汗冷却的分布式多物理场耦合控制系统，进行发汗冷却数值模拟时，多孔材料内部的流动和结构部件外部绕流差异极大，所使用的数值技术的差异使得难以在一套框架下实现模拟，工程上的基于文件交换的松耦合模拟方式精度、效率有待提高。本发明通过确定有效的通信耦合模型和紧耦合边界条件，提高发汗冷却模拟协调合作水平，该方法在发汗冷却模拟时，能够使得不同计算模块运行在各自的地址空间并进行实时紧耦合计算，提高模拟的精度和计算效率。

Description

一种用于模拟发汗冷却的分布式多物理场耦合控制系统

技术领域

本发明涉及计算流体力学、工程热物理以及高性能并行计算领域，涉及一种用于模拟发汗冷却的分布式多物理场耦合控制系统，适用于计算流体力学方法多物理场模拟发汗冷却过程的工程应用。

背景技术

多孔发汗冷却技术指将材料制成多孔材料结构部件，在部件工作过程中，冷却剂在高压下从结构部件材料内部的“孔隙”渗透蒸发到外部，从而带走所在部件的热量使结构冷却降温。多孔发汗冷却的工作机制是发汗剂流经多孔材料部件内部时，能够携带部件热量，从而改变内部温度场，同时也能阻塞外部对工作部件的加热，从而达到控制温度的目的。该技术可以用于飞行器的热防护罩、火箭发动机喷管或核反应堆的第一壁面等高热流密度部位的热防护。

从发汗冷却技术的机制分析可得，若对多孔发汗冷却进行数值模拟，需要模拟多孔材料内部的换热、冷却剂与结构外部流场的对流两个过程。多孔材料内部的流动一般流速较低，液态冷却剂往往发生相变并与结构发生热交换，数值上通常使用有限元等方法求解热传输方程进行换热过程模拟。发汗冷却结构外部的环境则更为多样化，如飞行器外流涉及多尺度可压缩湍流流动、热化学非平衡流动等，一般使用有限体积法等进行数值模拟。

仿真上述两个过程所使用的控制方程、数值方法差异巨大，通常在一个代码框架下实现较为复杂。工程上一般使用多个模拟软件分别进行模拟，然后通过文件交换等形式耦合内外流边界，边界耦合形式为松耦合。使用该方式进行耦合，模拟精度及计算效率有待提高。

实际工程应用中，数值模拟使用MPI(消息传递接口)并行软件技术进行大浮点运算量、大数据通信量的仿真，平台基于远程的集群系统，多数安装定制操作系统，网络拓扑复杂，计算功能和通信相互影响和制约。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种用于模拟发汗冷却的分布式多物理场耦合控制系统，通过确定有效的通信耦合模型和紧耦合边界条件，提高发汗冷却模拟协调合作水平，该方法在发汗冷却模拟时，能够使得不同计算模块运行在各自的地址空间并进行实时紧耦合计算，提高模拟的精度和计算效率。

本发明解决技术的方案是：

一种用于模拟发汗冷却的分布式多物理场耦合控制系统，包括耦合控制模块、主流计算模块和多孔介质计算模块；

耦合控制模块设置发汗冷却模拟的时间推进，同步主流计算与多孔介质计算过程，判断是否到达目标模拟时间，若是，则退出；

主流计算模块设置MPI多进程并行运行，包括主流远程调用服务进程，主流MPI计算进程；

多孔介质计算模块设置MPI多进程并行运行，包括多孔介质远程调用服务进程，多孔介质MPI计算进程；

耦合控制模块生成并发送主流计算模块的控制指令和参数，接收主流计算模块的计算结果，进行主流计算控制操作；

耦合控制模块生成并发送多孔介质计算模块的控制指令和参数，接收多孔介质计算模块的计算结果，进行多孔介质计算控制操作。

进一步的，所述耦合控制模块包括耦合控制设置单元、主流计算远程调用客户端单元和多孔介质计算远程调用客户端单元，其中，

耦合控制设置单元用于设置发汗冷却模拟的时间推进过程，同步主流计算与多孔介质计算过程，判断是否到达目标模拟时间；

主流计算远程调用客户端单元用于生成并发送主流计算的控制指令和参数，接收主流计算结果，进行主流计算控制操作；

多孔介质远程调用客户端单元用于生成并发送多孔介质计算的控制指令和参数，接收多孔介质计算结果，进行多孔介质计算控制操作。

进一步的，生成并发送多孔介质计算模块的控制指令和参数包括：

耦合控制模块将上一时间推进中从多孔介质计算中获取的计算结果以及当前时间推进状态进行插值转换，形成紧耦合边界条件Ⅰ，将该内容以及控制指令进行编码压缩后，通过远程调用设置的网络协议发送给主流计算模块，阻塞等待远程调用返回；通过远程调用的使用，可自动完成模块之间的同步与数据发送过程。

进一步的，接收主流计算模块的计算结果包括：

耦合控制模块等待阻塞的主流计算远程调用返回后，将返回内容进行解压缩、解编码，形成目标时间推进点的主流计算结果数据，该计算结果是与主流计算网格相匹配的，需进行转换以便多孔介质计算模块使用。

进一步的，所述生成并发送多孔介质计算模块的控制指令和参数包括：

耦合控制模块将从主流计算中获取的计算结果以及当前时间推进状态进行插值转换，形成紧耦合边界条件Ⅱ，将该内容以及控制指令进行编码压缩后，通过远程调用设置的网络协议发送给多孔介质计算模块，阻塞等待远程调用返回。

进一步的，接收多孔介质计算模块的计算结果包括：

耦合控制模块等待阻塞的多孔介质计算远程调用返回后，将返回内容进行解压缩、解编码，形成目标时间推进点的多孔介质结果数据。

进一步的，主流远程调用服务进程包括如下步骤：

主流远程调用服务进程通过响应远程调用，接收耦合控制模块发送的控制指令和参数，并将该指令参数通过MPI广播方式发送至主流MPI计算进程；

主流远程调用服务进程通过非主塞方式接收主流MPI计算进程发送的计算结果，并等待非阻塞接收完成；

主流远程调用服务进程通过返回远程调用形式，发送所收集的计算结果至耦合控制模块。

进一步的，主流MPI计算进程包括如下步骤：

主流MPI计算进程通过MPI非阻塞方式接收主流远程调用服务进程发送的指令和参数，并等待非阻塞接收完成；

主流MPI计算进程解析指令及参数，进行指令所要求的计算过程；

主流MPI计算进程收集计算结果，并通过MPI非阻塞方式发送计算结果至主流远程调用服务进程，等待非阻塞发送完成。

进一步的，多孔介质远程调用服务进程包括如下步骤：

多孔介质远程调用服务进程通过响应远程调用，接收耦合控制模块发送的控制指令和参数，并将该指令参数通过MPI广播方式发送至多孔介质MPI计算进程；

多孔介质远程调用服务进程通过非主塞方式接收多孔介质MPI计算进程发送的计算结果，并等待非阻塞接收完成；

多孔介质远程调用服务进程通过返回远程调用形式，发送所收集的计算结果至耦合控制模块。

进一步的，多孔介质MPI计算进程包括如下步骤：

多孔介质MPI计算进程通过MPI非阻塞方式接收多孔介质远程调用服务进程发送的指令和参数，并等待非阻塞接收完成；

多孔介质MPI计算进程解析指令及参数，进行指令所要求的计算过程；

多孔介质MPI计算进程收集计算结果，并通过MPI非阻塞方式发送计算结果至多孔介质远程调用服务进程，等待非阻塞发送完成。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)相比于使用文件进行“离线”数据交换的松耦合多模块联合仿真方式，本发明完全基于内存的“在线”实时交换、紧耦合形式，省去了反复启动程序、反复进行初始化和读写存储的开销，大大提高了计算的效率，可以实现多物理场仿真的紧密耦合计算；

(2)本发明采用同步远程调用的形式进行数据交换和通信控制，远程调用请求可以携带参数，通过将需要交换的数据附加在请求参数中，可以省去交换数据麻烦，本发明使用同步远程调用，可以确保计算功能的优先级顺序，确保了计算任务的正确性；

(3)本发明采用MPI非阻塞函数配合阻塞MPI等待函数进行计算进程和服务进程的通信，确保了状态信息和计算数据的可靠交换，避免了进程死锁并合理的利用了进程资源；

(4)本发明使用了插值技术耦合两套专业仿真计算模块的数据交换，放松了对模拟网格的要求，使得两个专业的研究人员可以自由进行计算设置，便于开展多学科的合作研究；

(5)本发明的远程调用技术可以跨网段运行，两个专业计算模块可以分别位于不同的网络系统不同的地址空间，应用范围广泛；

(6)本发明实施通过耦合控制进程分别进行主流远程调用，多孔介质远程调用耦合了主流计算过程与多孔介质计算过程，通过紧耦合边界条件进行实时信息交换，各物理模块的计算交给了各自的MPI计算进程，能够使得不同计算模块运行在各自的地址空间并进行实时紧耦合计算，提高模拟的精度和计算效率。

附图说明

图1为发汗冷却问题的示意图；

图2为本发明的拓扑结构示意图；

图3为本发明耦合控制进程方法流程图；

图4为本发明主流远程调用服务端进程流程图；

图5为本发明主流MPI计算进程流程图；

图6为本发明实例的外部流场的马赫数云图；

图7为本发明实例的外部流场中的渗流水蒸汽的体积分数云图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示为发汗冷却的示意图，图中球形部分为多孔介质发汗端头，外部主流从左边往右边流动，冷却剂从多孔介质中渗出并与主流掺混。对该问题进行仿真，需模拟端头外部的流动以及多孔介质内的孔隙流动。外部主流流动使用主流计算模块进行仿真，多孔介质内的孔隙流动使用多孔介质计算模块进行仿真，而渗流的界面通过本发明方法进行耦合。

图2为本方法模拟该流动过程的拓扑示意图，包括耦合控制模块，主流计算模块，多孔介质计算模块。

图3为本发明实施例提供的耦合控制模块的方法一流程图，该方法其具体步骤为：

S101、耦合控制模块设置发汗冷却模拟的时间推进，同步主流计算与多孔介质计算过程。时间推进步长根据流动速度给定，一般在1ms-10ms之间。耦合控制模块判断是否到达目标模拟时间，若是，则转S102，若否，则转S103；

S102、退出模拟过程；

S103、耦合控制模块生成并通过远程调用发送主流计算的控制指令和参数；

S104、耦合控制模块接收主流计算结果；

S105、耦合控制模块生成并通过远程调用发送多孔介质计算模块的控制指令和参数；

S106、耦合控制模块接收多孔介质计算结果；

S107、耦合控制模块返回S101。

所述耦合控制模块包括：耦合控制设置单元，主流计算远程调用客户端单元，多孔介质计算远程调用客户端单元，其中，

耦合控制设置单元用于设置发汗冷却模拟的时间推进过程，同步主流计算与多孔介质计算过程，判断是否到达目标模拟时间；

主流计算远程调用客户端单元用于生成并发送主流计算的控制指令和参数，接收主流计算结果，进行主流计算控制操作；

多孔介质远程调用客户端单元用于生成并发送多孔介质计算的控制指令和参数，接收多孔介质计算结果，进行多孔介质计算控制操作；

所述生成并发送主流计算的控制指令和参数包括：

耦合控制模块将上一时间推进中从多孔介质计算中获取的计算结果以及当前时间推进状态进行插值转换，形成紧耦合边界条件Ⅰ，将该内容以及控制指令进行编码压缩后，通过远程调用设置的网络协议发送给主流计算模块，阻塞等待远程调用返回。通过远程调用的使用，可自动完成模块之间的同步与数据发送过程。

所述接收主流计算结果过程包括：

耦合控制模块等待阻塞的主流计算远程调用返回后，将返回内容进行解压缩、解编码，形成目标时间推进点的主流计算结果数据，该计算结果是与主流计算网格相匹配的，若发送给多孔介质计算模块使用，需进行插值转换。

所述生成并发送多孔介质计算的控制指令和参数包括：

耦合控制模块将从主流计算中获取的计算结果以及当前时间推进状态进行插值转换，形成紧耦合边界条件Ⅱ，将该内容以及控制指令进行编码压缩后，通过远程调用设置的网络协议发送给多孔介质计算模块，阻塞等待远程调用返回。

所述接收多孔介质计算结果包括：

耦合控制模块等待阻塞的多孔介质计算远程调用返回后，将返回内容进行解压缩、解编码，形成目标时间推进点的多孔介质结果数据。

一种用于模拟发汗冷却的分布式多物理场耦合控制系统，包括：

主流计算模块设置MPI多进程并行运行，包括主流远程调用服务进程，主流MPI计算进程。主流计算模块通过MPI并行运行于通过网络互联的分布式高性能集群，其具体进程运行在哪个节点可以通过启动时进行动态配置。对MPI通信域中每个进程均会分配一个编号进行标识，它们通过网络通信协作。MPI进程号从0开始编号，本发明将主流计算的进程0设置为主流远程调用服务端进程，其它进程作为主流MPI计算进程，并在主流远程调用服务端进程的控制下进行高性能计算。主流远程调用服务端进程运行在固定IP地址的节点上，而其他计算进程则无限制，可自由运行在集群上。通过该操作，可将MPI多进程的分布式特性进行隔离，耦合控制模块只需要与一个主流远程调用服务端进程通信即可，而不用管理其他主流MPI计算进程的状态。

图4为本发明实施例提供主流远程调用服务端进程的方法二流程图，该方法其具体步骤为：

S201、主流远程调用服务进程检测是否有远程调用接入；若否，则等待一段时间后，继续检测；若是，则转到S202；

S202、主流远程调用服务进程通过响应远程调用，接收耦合控制模块发送的控制指令和参数；

S203、主流远程调用服务进程将该指令参数通过MPI广播方式发送至主流MPI计算进程；

S204、主流远程调用服务进程通过非阻塞方式接收主流MPI计算进程发送的计算结果；

S205、主流远程调用服务进程等待非阻塞接收完成，若接收完成，转S206，否则继续等待；

S206、主流远程调用服务进程发送所收集的计算结果至耦合控制模块，返回远程调用；

S207、主流远程调用服务进程返回S201。

所述等待时间一般为1ms～10ms，所述通信所使用的非阻塞MPI函数以及广播函数汇总如下表：

表1

图5为本发明实施例提供主流MPI计算进程的方法三流程图，该方法其具体步骤为：

S301、主流MPI计算进程通过非阻塞方式接收主流远程调用服务进程发送的指令和参数；

S302、主流MPI计算进程等待非阻塞接收完成，若完成，转S303，否则继续等待；

S303、主流MPI计算进程解析指令及参数，进行指令所要求的计算过程；

S304、主流MPI计算进程收集计算结果；

S305、主流MPI计算进程通过非阻塞方式发送计算结果至主流远程调用服务进程；

S306、等待非阻塞发送完成，若完成，则转S301，若否，则继续等待。

一种用于模拟发汗冷却的分布式多物理场耦合控制系统，包括：

多孔介质计算模块设置MPI多进程并行运行，包括多孔介质远程调用服务进程，多孔介质MPI计算进程。

多孔介质远程调用服务进程包括方法四，

多孔介质远程调用服务进程通过响应远程调用，接收耦合控制模块发送的控制指令和参数，并将该指令参数通过MPI广播方式发送至多孔介质MPI计算进程；

多孔介质远程调用服务进程通过非主塞方式接收多孔介质MPI计算进程发送的计算结果，并等待非阻塞接收完成；

多孔介质远程调用服务进程通过返回远程调用形式，发送所收集的计算结果至耦合控制模块。

多孔介质MPI计算进程包括方法五，

多孔介质MPI计算进程通过MPI非阻塞方式接收多孔介质远程调用服务进程发送的指令和参数，并等待非阻塞接收完成；

多孔介质MPI计算进程解析指令及参数，进行指令所要求的计算过程；

多孔介质MPI计算进程收集计算结果，并通过MPI非阻塞方式发送计算结果至多孔介质远程调用服务进程，等待非阻塞发送完成。

上述方法一、二、三、四、五同步运行。

本发明实施例提供的多孔介质端头位于超声速主流中的计算实例结果。

该实例的计算条件为主流马赫数19，攻角为10°，多孔介质中的冷却剂为液态水，总流量为3g/s，从多孔介质表面渗出。使用本发明方法进行耦合计算。

图6展示了本发明实例的外部流场的马赫数云图，图7展示了本发明实例的外部流场中的渗流水蒸汽的体积分数云图。从结果中可以看到本发明很好的耦合了渗流与主流流动，计算结果清晰符合物理。

在本发明实施例中，各进程独立运行，耦合控制进程与主流计算模块以及多孔介质模块通过远程调用进行紧耦合同步和通信，主流计算模块、多孔介质模块各进程之间通过非阻塞方式进行通信，可以使得计算效率以及计算精度均得到提高。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于模拟发汗冷却的分布式多物理场耦合控制系统，其特征在于，

包括耦合控制模块、主流计算模块和多孔介质计算模块；

耦合控制模块设置发汗冷却模拟的时间推进，同步主流计算与多孔介质计算过程，判断是否到达目标模拟时间，若是，则退出；

主流计算模块设置MPI多进程并行运行，包括主流远程调用服务进程，主流MPI计算进程；

多孔介质计算模块设置MPI多进程并行运行，包括多孔介质远程调用服务进程，多孔介质MPI计算进程；

耦合控制模块生成并发送主流计算模块的控制指令和参数，接收主流计算模块的计算结果，进行主流计算控制操作；

耦合控制模块生成并发送多孔介质计算模块的控制指令和参数，接收多孔介质计算模块的计算结果，进行多孔介质计算控制操作。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟发汗冷却的分布式多物理场耦合控制系统，其特征在于，所述耦合控制模块包括耦合控制设置单元、主流计算远程调用客户端单元和多孔介质计算远程调用客户端单元，其中，

耦合控制设置单元用于设置发汗冷却模拟的时间推进过程，同步主流计算与多孔介质计算过程，判断是否到达目标模拟时间；

主流计算远程调用客户端单元用于生成并发送主流计算的控制指令和参数，接收主流计算结果，进行主流计算控制操作；

多孔介质远程调用客户端单元用于生成并发送多孔介质计算的控制指令和参数，接收多孔介质计算结果，进行多孔介质计算控制操作。

3.根据权利要求1所述的一种用于模拟发汗冷却的分布式多物理场耦合控制系统，其特征在于，生成并发送多孔介质计算模块的控制指令和参数包括：

耦合控制模块将上一时间推进中从多孔介质计算中获取的计算结果以及当前时间推进状态进行插值转换，形成紧耦合边界条件Ⅰ，将该内容以及控制指令进行编码压缩后，通过远程调用设置的网络协议发送给主流计算模块，阻塞等待远程调用返回；通过远程调用的使用，可自动完成模块之间的同步与数据发送过程。

4.根据权利要求1所述的一种用于模拟发汗冷却的分布式多物理场耦合控制系统，其特征在于，接收主流计算模块的计算结果包括：

耦合控制模块等待阻塞的主流计算远程调用返回后，将返回内容进行解压缩、解编码，形成目标时间推进点的主流计算结果数据，该计算结果是与主流计算网格相匹配的，需进行转换以便多孔介质计算模块使用。

5.根据权利要求1所述的一种用于模拟发汗冷却的分布式多物理场耦合控制系统，其特征在于，所述生成并发送多孔介质计算模块的控制指令和参数包括：

耦合控制模块将从主流计算中获取的计算结果以及当前时间推进状态进行插值转换，形成紧耦合边界条件Ⅱ，将该内容以及控制指令进行编码压缩后，通过远程调用设置的网络协议发送给多孔介质计算模块，阻塞等待远程调用返回。

6.根据权利要求1所述的一种用于模拟发汗冷却的分布式多物理场耦合控制系统，其特征在于，接收多孔介质计算模块的计算结果包括：

耦合控制模块等待阻塞的多孔介质计算远程调用返回后，将返回内容进行解压缩、解编码，形成目标时间推进点的多孔介质结果数据。

7.根据权利要求1所述的一种用于模拟发汗冷却的分布式多物理场耦合控制系统，其特征在于，主流远程调用服务进程包括如下步骤：

主流远程调用服务进程通过响应远程调用，接收耦合控制模块发送的控制指令和参数，并将该指令参数通过MPI广播方式发送至主流MPI计算进程；

主流远程调用服务进程通过非主塞方式接收主流MPI计算进程发送的计算结果，并等待非阻塞接收完成；

主流远程调用服务进程通过返回远程调用形式，发送所收集的计算结果至耦合控制模块。

8.根据权利要求1所述的一种用于模拟发汗冷却的分布式多物理场耦合控制系统，其特征在于，主流MPI计算进程包括如下步骤：

主流MPI计算进程通过MPI非阻塞方式接收主流远程调用服务进程发送的指令和参数，并等待非阻塞接收完成；

主流MPI计算进程解析指令及参数，进行指令所要求的计算过程；

主流MPI计算进程收集计算结果，并通过MPI非阻塞方式发送计算结果至主流远程调用服务进程，等待非阻塞发送完成。

9.根据权利要求1所述的一种用于模拟发汗冷却的分布式多物理场耦合控制系统，其特征在于，多孔介质远程调用服务进程包括如下步骤：

多孔介质远程调用服务进程通过响应远程调用，接收耦合控制模块发送的控制指令和参数，并将该指令参数通过MPI广播方式发送至多孔介质MPI计算进程；

多孔介质远程调用服务进程通过非主塞方式接收多孔介质MPI计算进程发送的计算结果，并等待非阻塞接收完成；

多孔介质远程调用服务进程通过返回远程调用形式，发送所收集的计算结果至耦合控制模块。

10.根据权利要求1所述的一种用于模拟发汗冷却的分布式多物理场耦合控制系统，其特征在于，多孔介质MPI计算进程包括如下步骤：

多孔介质MPI计算进程通过MPI非阻塞方式接收多孔介质远程调用服务进程发送的指令和参数，并等待非阻塞接收完成；

多孔介质MPI计算进程解析指令及参数，进行指令所要求的计算过程；

多孔介质MPI计算进程收集计算结果，并通过MPI非阻塞方式发送计算结果至多孔介质远程调用服务进程，等待非阻塞发送完成。

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