《流固耦合問題的並行數值模擬算法與套用》是依託中國科學院數學與系統科學研究院，由張林波擔任項目負責人的重大研究計畫。
基本介紹
- 中文名：流固耦合問題的並行數值模擬算法與套用
- 項目類別：重大研究計畫
- 項目負責人：張林波
- 依託單位：中國科學院數學與系統科學研究院
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目研究流固耦合問題的並行數值模擬算法及在血流動力學、人工心臟及水輪發電機中的套用，主要研究內容包括：（1）研究流固耦合ALE方法的穩定有限元離散格式和離散耦合非線性系統的高效可擴展求解算法，特別是非線性疊代中產生的線性方程組的高效預條件子；（2）研究流固耦合的全歐拉方法，設計基於XFEM的有限元離散方法和相應離散系統的高效可擴展求解方法；（3）發展非結構格線的流固耦合併行軟體支撐框架，基於框架研製流固耦合併行有限元計算程式；（4）運用所發展的並行計算程式，開展以血流動力學、人工心臟及水輪機等為背景的流固耦合大規模並行數值模擬實驗及套用。本項目的目標是發展流固耦合的先進計算方法和可擴展計算程式，為相關套用領域提供數值模擬工具，力求取得具有國際先進水平和高顯示度的典型流固耦合問題的數值模擬結果。
結題摘要
心力衰竭（心衰）是血管疾病的最終階段，高血壓、動脈狹窄、缺血性心肌病等疾病都可能導致心衰。心衰一方面會導致心臟的力學性能惡化、心肌供血減少，另一方面還會導致心臟耗氧量增加、負擔加重，這種惡性循環使得心衰病程會逐漸加重，使心衰成為難治性心臟病之一。合理使用人工心臟（LVAD）會產生心臟形態功能、循環系統血流動力學、自主調節系統活性及人體內環境方面有利的改變，可是不當的LVAD輔助水平和輔助時間也會損傷心臟與血管的結構與功能。 流固耦合模擬是解決臨床血流動力學問題、設計人工心臟泵、最佳化調整治療方案的重要手段之一。由於心血管系統和人工心臟泵的模型複雜性高，傳統算法的穩定性、收斂性及計算效率難以滿足需要，項目組從建模、離散、求解、並行等方面對流固耦合模擬開展了共性計算方法的研究工作，設計了一個流固耦合計算並行軟體平台，使用該軟體對北京工業大學設計的BJUT-II型人工心臟泵的設計參數進行模擬和最佳化，並利用實驗數據對數值算法進行了檢驗。 項目組研究了大量共性計算方法，如格線變形、多格線匹配、非線性耦合求解等，發表一系列學術論文。其中比較重要的成果包括：（1）研究了彈性力學方程和非牛頓流體方程的穩定離散方法、非線性和線性預條件方法；（2）發展了界面問題的高階擴展有限元方法及其高精度實現方法；（3）設計了一類適用於旋轉固體與流體耦合模擬的ALE方法及其高效並行實現。這些算法和軟體可套用於人工心臟泵的最佳化設計中，提高計算效率，輔助制定合理的心衰治療策略，提高患者的術後生存率與生活質量。 不可壓流體和彈性固體的耦合問題是多物理場研究的熱點問題，套用範圍非常廣泛，如水力發電機、船舶推進系統等。項目組通過開展流固耦合的並行數值算法研究，在推進高性能計算在心血管疾病治療等相關領域套用的同時，研發一批共性的高效計算方法和程式，解決了流固耦合併行模擬中的一些共性瓶頸問題，取得的成果與經驗會對其它多物理耦合數值模擬產生借鑑意義。
