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《數值核反應爐熱工流體並行模擬技術》是“數值核反應爐技術與應用”叢書的重要組成部分。核心內容是介紹基於超級計算機進行反應堆熱工流體模擬的核心技術，強調發揮超級計算機優勢，利用平行計算技術解決高保真、大規模模擬面臨的應用痛點問題，並充分反映高性能計算與反應堆熱工流體兩個學科緊密交叉的最新成果。首先綜述熱工流體計算模擬的研究現狀和典型成果，定量分析高保真類比的計算資源和存儲資源需求，並簡要介紹典型國產超級計算機的系統結構和程式設計方法。
然後詳細論述反應堆熱工流體類比的兩種典型計算模型——子通道計算模型和基於計算流體力學的大渦類比計算模型，論述自主研發的兩款軟體CVR-PASA、CVR-PACA的設計與實現技術，包括全堆芯建模、網格生成、區域分解、物理參數載入、並行求解器及其並行優化等核心技術，並給出一些典型算例。
“數值核反應爐技術與應用叢書”序
前言
第1章 緒論 1
1.1 反應堆熱工流體模擬研究背景 1
1.2 熱工流體模擬對超算資源的需求分析 2
1.3 熱工流體並行模擬關鍵問題 2
1.4 本書的結構 4
參考文獻 5
第2章 熱工流體並行模擬研究綜述 6
2.1 熱工流體並行模擬的計算需求與數值方法 6
2.1.1 子通道模型計算需求 6
2.1.2 CFD模型計算需求 11
2.1.3 熱工流體模擬對超算的需求小結 15
2.2 數值堆熱工流體並行模擬的研究進展 16
2.2.1 國外數值堆熱工流體並行模擬研究 16
2.2.2 國內數值堆熱工流體並行模擬研究 16
2.2.3 典型熱工流體並行類比軟體評述 17
2.3 制約高保真熱工流體模擬的關鍵問題 24
參考文獻 25
第3章 並行計算技術基礎 28
3.1 並行計算基本理論 28
3.1.1 什麼是並行計算 28
3.1.2 並行環境下的計算機結構 32
3.1.3 並行計算模型 35
3.2 神威 太湖之光超算系統架構及程式設計方法 38
3.2.1 神威 太湖之光超算系統架構 38
3.2.2 神威 太湖之光超算Athread程式設計方法 40
3.3 曙光超算系統架構及程式設計方法 44
3.3.1 曙光超算系統架構 44
3.3.2 曙光超算支援的HIP程式設計方法 47
參考文獻 49
第4章 子通道並行模擬技術 50
4.1 熱工流體子通道並行模擬主要問題 50
4.1.1 串列類比與並行類比的區別 50
4.1.2 全堆芯子通道建模 51
4.1.3 平行算法的設計 52
4.1.4 並行計算求解 52
4.1.5 模擬數據的管理 54
4.2 CVR-PASA的軟體架構 55
4.3 自動預處理程式的設計與實現 56
4.3.1 概述 56
4.3.2 程式功能及流程 59
4.3.3 關鍵技術一：全堆芯子通道自動編號與映射技術 61
4.3.4 關鍵技術二：幾何參數求解 91
4.3.5 關鍵技術三：並行任務劃分技術 102
4.3.6 自動預處理程式展示 111
4.4 並行求解流程及其並行優化 114
4.4.1 並行求解流程 114
4.4.2 並行模式及通信策略 117
4.4.3 並行優化策略 121
4.5 數據庫 123
4.5.1 使用數據庫管理模擬數據的需求 123
4.5.2 數據庫的設計與實現 124
4.5.3 數據庫結果展示 130
4.6 算例應用 133
參考文獻 139
第5章 熱工流體CFD並行模擬 140
5.1 CFD計算模型 140
5.1.1 流動控制方程 140
5.1.2 湍流模擬 142
5.2 N-S方程的離散方法 147
5.2.1 偏微分方程及其數值解法 147
5.2.2 有限差分法 151
5.2.3 有限體積法 154
5.2.4 有限元法 160
5.2.5 譜元法 167
5.2.6 對比總結 175
5.3 熱工流體CFD類比基本流程 177
5.3.1 幾何建模 178
5.3.2 網格生成 179
5.3.3 區域分解 180
5.3.4 邊界條件 180
5.3.5 確定控制方程 181
5.3.6 設置初始條件 182
5.3.7 求解控制設置 182
5.3.8 收斂判定 183
5.3.9 後處理 184
5.4 典型開源CFD軟體Nek5000 184
5.4.1 軟體概況 184
5.4.2 基本目錄結構 187
5.4.3 使用方法 187
5.4.4 代碼簡析 192
參考文獻 198
第6章 基於譜元法CFD的大規模並行實現技術 199
6.1 PACA：基於譜元法的大規模並行不可壓縮N-S方程求解器 199
6.1.1 並行求解思路 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 大規模網格生成技術 210
6.2.1 網格劃分概述 210
6.2.2 快堆熱工流體並行模擬的網格劃分問題 210
6.2.3 快堆高精細類比網格劃分實例 212
6.2.4 總結 217
6.3 大規模網格並行區域分解及處理器映射技術 217
6.3.1 區域分解技術概述 217
6.3.2 區域分解常用方法 217
6.3.3 PACA區域分解的技術需求 223
6.3.4 PACA區域分解的技術實現 224
6.3.5 優化性能結果 239
6.4 PACA面向異構架構的並行優化技術 240
6.4.1 PACA的計算核心及其優化挑戰 240
6.4.2 PACA在“申威”異構架構上的移植與優化 246
6.5 PACA應用實例 263
6.5.1 基準算例 263
6.5.2 自然迴圈算例 265
參考文獻 269
