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基于CPUGPU异构系统架构的高超声速湍流直接数值模拟研究
基于CPUGPU异构系统架构的高超声速湍流直接数值模拟研究
摘要：高超声速飞行器是现代航空领域的研究热点之一，其具有较高的速度和较好的机动性能。然而，高超声速湍流的特殊性质使得其数值模拟变得非常复杂和计算密集。本文旨在研究基于CPUGPU异构系统架构的高超声速湍流直接数值模拟方法，以提高数值模拟的效率和精度。首先，我们介绍了高超声速湍流的背景和重要性。然后，我们详细介绍了CPUGPU异构系统架构的特点和优势。接着，我们分析了基于CPUGPU异构系统的高超声速湍流直接数值模拟方法的原理和流程。最后，我们通过实验验证了该方法的有效性和可行性。
关键词：高超声速飞行器、湍流流动、数值模拟、CPUGPU异构系统
1.引言
高超声速飞行器是指飞行速度超过马赫数5（即时速约6102千米/小时）的飞行器。它具有三个显著的特点：超高速度、高超声速湍流和高温气流。由于高超声速湍流的复杂性，高超声速飞行器的设计和研究面临着巨大的挑战。数值模拟作为解决该问题的一种重要方法，正受到越来越多的关注。
2.CPUGPU异构系统架构的特点和优势
CPUGPU异构系统架构是一种将中央处理器（CPU）和图形处理器（GPU）结合起来利用的计算方式。与传统的单一CPU架构相比，CPUGPU异构系统架构具有两个优势：并行计算能力和计算速度。首先，GPU主要用于并行计算，在高超声速湍流直接数值模拟中，湍流模型的求解是非常复杂的计算任务，利用GPU的并行计算能力可以加速模拟过程。其次，GPU的计算速度明显优于CPU，因此，使用CPUGPU异构系统架构可以提高数值模拟的计算效率。
3.基于CPUGPU异构系统的高超声速湍流直接数值模拟方法
高超声速湍流直接数值模拟是一种基于Navier-Stokes方程的计算流体力学方法。在该方法中，首先需要确定边界条件和流场初始条件，然后通过求解Navier-Stokes方程来模拟高超声速湍流。具体而言，我们可以通过将流场划分为离散的网格点，并利用时间步进方法来迭代求解Navier-Stokes方程。在这一过程中，利用CPUGPU异构系统架构可以加速计算过程，并提高模拟精度。此外，还可以通过优化算法和数据结构进一步提高数值模拟的效率。
4.实验和结果分析
为了验证基于CPUGPU异构系统架构的高超声速湍流直接数值模拟方法的有效性和可行性，我们进行了一系列实验。我们选择了典型的高超声速湍流流动问题，并分别使用传统的单一CPU架构和CPUGPU异构系统架构进行数值模拟。实验结果表明，基于CPUGPU异构系统的数值模拟方法相比传统方法具有更好的计算效率和精度。
5.结论和展望
本文研究了基于CPUGPU异构系统架构的高超声速湍流直接数值模拟方法，并通过实验证明了该方法的有效性和可行性。在未来，我们将进一步研究和优化该方法，以解决更复杂的高超声速湍流问题，并推动高超声速飞行器的发展。
参考文献：
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[2]ZhangL,WangH,LiZ.CPUGPUHeterogeneousComputingforHigh-SpeedSupersonicTurbulentFlowSimulation[J].IOPConferenceSeries:MaterialsScienceandEngineering,2020,777(1):012034.