数值核反应堆热工流体并行模拟技术

反应堆热工流体大规模并行化数值模拟是数值反应堆的核心内容。由于引入高保真的模型、大规模并行算法，面向E级超级计算机的热工流体大规模并行模拟对传统的模型、算法、软件实现都带来了挑战。本书依托十三五国家重点研发计划项目"数值反应堆原型系统开发及示范应用",研究成果，在全面综述热工流体大规模并行模拟相关工作的基础上，定量分析了不同模型对超算资源的需求；论述了基于子通道模型、CFD模型进行大规模并行热工流体模拟的的实现技术；详细介绍了全堆准确到每一个子通道的模拟技术、普元法求解N_S方程的大规模并行方法；介绍了子通道模拟软件PASA和CFD模拟软件PACA的设计与实现，给出了应用算例。该书可以作为核科学技术、高性能计算技术及相关领域工程技术人员的参考书，也可作为这些领域的研究生教材。

目录
“数值核反应堆技术与应用丛书”序
前言
第1章 绪论 1
1.1 反应堆热工流体模拟研究背景 1
1.2 热工流体模拟对超算资源的需求分析 2
1.3 热工流体并行模拟关键问题 2
1.4 本书的结构 4
参考文献 5
第2章 热工流体并行模拟研究综述 6
2.1 热工流体并行模拟的计算需求与数值方法 6
2.1.1 子通道模型计算需求 6
2.1.2 CFD模型计算需求 11
2.1.3 热工流体模拟对超算的需求小结 15
2.2 数值堆热工流体并行模拟的研究进展 16
2.2.1 国外数值堆热工流体并行模拟研究 16
2.2.2 国内数值堆热工流体并行模拟研究 16
2.2.3 典型热工流体并行模拟软件评述 17
2.3 制约高保真热工流体模拟的关键问题 24
参考文献 25
第3章 并行计算技术基础 28
3.1 并行计算基本理论 28
3.1.1 什么是并行计算 28
3.1.2 并行环境下的计算机结构 32
3.1.3 并行计算模型 35
3.2 神威·太湖之光超算系统架构及编程方法 38
3.2.1 神威·太湖之光超算系统架构 38
3.2.2 神威·太湖之光超算Athread编程方法 40
3.3 曙光超算系统架构及编程方法 44
3.3.1 曙光超算系统架构 44
3.3.2 曙光超算支持的HIP编程方法 47
参考文献 49
第4章 子通道并行模拟技术 50
4.1 热工流体子通道并行模拟主要问题 50
4.1.1 串行模拟与并行模拟的区别 50
4.1.2 全堆芯子通道建模 51
4.1.3 并行算法的设计 52
4.1.4 并行计算求解 52
4.1.5 模拟数据的管理 54
4.2 CVR-PASA的软件架构 55
4.3 自动预处理程序的设计与实现 56
4.3.1 概述 56
4.3.2 程序功能及流程 59
4.3.3 关键技术一：全堆芯子通道自动编号与映射技术 61
4.3.4 关键技术二：几何参数求解 91
4.3.5 关键技术三：并行任务划分技术 102
4.3.6 自动预处理程序展示 111
4.4 并行求解流程及其并行优化 114
4.4.1 并行求解流程 114
4.4.2 并行模式及通信策略 117
4.4.3 并行优化策略 121
4.5 数据库 123
4.5.1 使用数据库管理模拟数据的需求 123
4.5.2 数据库的设计与实现 124
4.5.3 数据库结果展示 130
4.6 算例应用 133
参考文献 139
第5章 热工流体CFD并行模拟 140
5.1 CFD计算模型 140
5.1.1 流动控制方程 140
5.1.2 湍流模拟 142
5.2 N-S方程的离散方法 147
5.2.1 偏微分方程及其数值解法 147
5.2.2 有限差分法 151
5.2.3 有限体积法 154
5.2.4 有限元法 160
5.2.5 谱元法 167
5.2.6 对比总结 175
5.3 热工流体CFD模拟基本流程 177
5.3.1 几何建模 178
5.3.2 网格生成 179
5.3.3 区域分解 180
5.3.4 边界条件 180
5.3.5 确定控制方程 181
5.3.6 设置初始条件 182
5.3.7 求解控制设置 182
5.3.8 收敛判定 183
5.3.9 后处理 184
5.4 典型开源CFD软件Nek5000 184
5.4.1 软件概况 184
5.4.2 基本目录结构 187
5.4.3 使用方法 187
5.4.4 代码简析 192
参考文献 198
第6章 基于谱元法CFD的大规模并行实现技术 199
6.1 PACA：基于谱元法的大规模并行不可压缩N-S方程求解器 199
6.1.1 并行求解思路 199
6.1.2 分解 200
6.1.3 通信 202
6.1.4 聚合 207
6.1.5 映射 208
6.2 大规模网格生成技术 210
6.2.1 网格划分概述 210
6.2.2 快堆热工流体并行模拟的网格划分问题 210
6.2.3 快堆高精细模拟网格划分实例 212
6.2.4 总结 217
6.3 大规模网格并行区域分解及处理器映射技术 217
6.3.1 区域分解技术概述 217
6.3.2 区域分解常用方法 217
6.3.3 PACA区域分解的技术需求 223
6.3.4 PACA区域分解的技术实现 224
6.3.5 优化性能结果 239
6.4 PACA面向异构架构的并行优化技术 240
6.4.1 PACA的计算核心及其优化挑战 240
6.4.2 PACA在“申威”异构架构上的移植与优化 246
6.5 PACA应用实例 263
6.5.1 基准算例 263
6.5.2 自然循环算例 265
参考文献 269