可压缩流动中粒子-流体与粒子-粒子相互作用的高效计算

粒子碰撞是稠密流动中粒子动量和能量交换的主要机制。在四向耦合Euler-Lagrange方法中，对该碰撞算子进行准确近似仍面临计算成本的挑战。采用确定性碰撞模型和硬球方法可松化时间步长限制，但其在分布式内存架构上引入非局域性， necessitating 将每个网格单元附近的碰撞伙伴纳入计算中。保持高阶精度和并行效率也取决于正确且紧凑地处理粒子-流体耦合，此时需要恰当的核函数才能有效地将粒子的工作投射到Eulerian网格上。本文提出一种基于MPI+MPI混合方法的高效粒子碰撞与投影算子，以支持稠密浓度下可压缩、四向耦合粒子流的时序和高阶精度模拟。该提出粒子碰撞算法的一个独特特点是能够在任意核心数上高效计算精确的二体粒子碰撞。将该粒子算子与基于高阶无穹插Galerkin方法和局部低阶有限体积方法的混合离散算子相结合，可准确处理高度可压缩的粒子流。该方法经过广泛的基准问题验证。与文献不同，展示了在最先进的高性能计算系统上的扩展特性。最后，所提出算法与非结构化、曲面高阶网格兼容，可处理复杂几何，此特性通过大规模应用案例得到强调。