雷射慣性約束聚變的可計算建模與算法研究

《雷射慣性約束聚變的可計算建模與算法研究》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由李敬宏擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：雷射慣性約束聚變的可計算建模與算法研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：李敬宏
• 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所

項目摘要

雷射慣性約束聚變物理全過程的大規模數值模擬，高度依賴於科學計算中基礎算法與可計算建模的發展水平。輻射輸運過程和內爆壓縮湍流混合是其中的兩個關鍵環節。本項目將開展輻射輸運過程的可計算建模、多群輻射擴散相關的快速算法、具有球對稱性的輻射輸運計算方法、擴散輸運耦合算法及相應的實現技術研究；開展靶丸內爆壓縮輻射流體力學不穩定性模擬的自適應計算方法、小尺度輻射流體力學不穩定性的湍流混合模型研究；同時，開展相應的大規模高性能並行程式算法研究，實現雷射慣性約束聚變可計算建模的大規模數值模擬。項目目標是將上述研究成果中先進的計算方法與國家重大工程套用結合，建立物理要求的高效實用擴散輸運耦合算法與湍流混合的可計算模型，有效利用數千上萬處理器核，實現全過程的大規模數值模擬，將雷射慣性約束聚變數值模擬能力提升到新的階段。

結題摘要

雷射慣性約束聚變（ICF）物理全過程的大規模數值模擬，高度依賴於科學計算中基礎算法與可計算建模的發展水平。在本項目的支持下，課題組在輻射流體力學的可計算建模和算法、內爆壓縮與湍流混合的可計算建模和算法、多群輻射擴散方程組的高效並行代數解法、雷射ICF物理過程的大規模模擬等方面取得突破性進展。主要包括：提出了輻射輸運-擴散分區域耦合算法；設計了多種保物理特性（球對稱性、守恆性、保正性等）的高精度輻射流體力學計算格式；研究了多介質任意拉格朗日-歐拉方法；針對ICF內爆問題分析了湍流混合Haan弱非線性飽和模型和不穩定性非線性增長規律；針對單群和多群輻射擴散方程組的大規模離散系統，分別設計了一種自適應AMG預條件子和自適應組合型GAMG預條件子等。課題組研製的ICF數值模擬程式套用於NIF點火靶和內爆數值模擬，CPU核數可擴展至數千上萬核，實現了點火靶模型的全過程數值模擬。部分算法成功套用於神光-II、神光-III原型、神光-III主機等雷射裝置黑腔和內爆物理實驗的數值模擬與數據分析，取得了很好的套用成果。另外，課題組在相場模型和分數階微分方程的理論與數值算法研究領域也取得了重要進展。