Development of a Flow Solver with Complex Kinetics on the Graphic Processing Units
本文报道了在图形处理单元（GPU）上实现一个数值求解器来模拟具有详细化学动力学的反应气体混合物。求解器采用高阶有限体积法求解流体动力学方程与刚性源项耦合。化学动力学通过算子分裂法隐式求解。我们探索了在GPU上实现快速动力学求解器的不同方法。文中讨论了具体的实现方法。用两种高阶激波捕获格式：MP5（Suresh，et al.（1997））和ADERWENO（Titarev，et al.（2005））对求解器进行了测试。在只考虑流体动力学计算的情况下，得到MP5格式的加速因子为30，ADERWENO格式的加速因子为55。对于全耦合求解器，性能增益取决于反应机制的大小。两个不同的化学例子进行了探讨。第一种机制由9种物质和38个反应组成，导致加速因子高达35。第二个更大的机制由36种物质和308个反应组成，导致加速因子高达40。
2011-10-21 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Dissipation-Based Continuation Method for Multiphase Flow in Heterogeneous Porous Media
在油藏模拟中，与全隐式（后向欧拉）离散相关联的非线性代数方程的耦合系统的求解是具有挑战性的。为了使油藏模拟成为管理大规模油藏开采过程的主要工具，必须有一个强大而有效的非线性求解器。在这里，我们开发了一个连续的方法的基础上使用的耗散算子。我们专注于非线性两相流动和非均质地层中存在的粘性，重力和毛细管力的运输。同伦是通过增加数值耗散耦合离散守恒方程。引入一个连续参数来控制耗散量。多维模型的数值证据和单细胞问题的详细分析被用来解释如何耗散算子改善耦合方程组的非线性收敛。提出了一种确定耗散系数的自适应策略。局部计算每个单元界面的耗散水平。我们证明了基于耗散的延续（DBC）的非线性求解器的效率，使用几个例子，包括一维标量运输和二维异构问题，完全耦合的流动和运输。与油藏模拟中使用的标准阻尼牛顿求解器相比，DBC求解器具有更好的收敛性能。
2020-09-01 physics.comp-ph
The Fluid-Kinetic Particle-in-Cell Solver for Plasma Simulations
本文提出了一种新的等离子体数值模拟方法，即同时求解多流体方程和麦克斯韦方程。通过计算粒子在自洽电磁场中的运动来计算多流体动量方程中的应力张量，从而在求解多流体方程时保留了动力学效应。麦克斯韦方程和多流体方程在时间上隐式地离散化，使得能够在流体模拟的典型时间尺度上进行动力学模拟。流体动力学的粒子在细胞求解器已实施的三维电磁代码，并测试对离子回旋共振和磁重联的问题。新方法是一个有前途的方法耦合流体和动力学方法在一个统一的框架。
2013-06-05 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Conservative projection-based data-driven model order reduction of a fluid-kinetic spectral solver
针对六维相空间动力学模拟计算量大问题，基于本征正交分解开发降阶模型，投影高阶动力学矩并保留流体矩，确保守恒性，以极低计算成本复现高维谱模拟。
2025-07-14 physics.comp-ph physics.plasm-ph
KINTORA: a semi-Lagrangian discontinuous Galerkin drift-kinetic, unstructured mesh tokamak solver
Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）
KINTORA是一种半拉格朗日间断伽辽金漂移动理学非结构化网格托卡马克求解器，兼具连续介质代码与PIC代码优势，经多类验证，结果可跨架构复现，相关资源已公开。
2026-10-14 physics.comp-ph
An asymptotic-preserving 2D-2P relativistic Drift-Kinetic-Equation solver for runaway electron simulations in axisymmetric tokamaks
本文提出了一种渐近保持（AP）、一致收敛的相对论性碰撞漂移动力学方程（rDKE）数值格式，用于模拟轴对称环形磁场中的逃逸电子.该方法是来自一个精确的格林函数解与数值近似的量化影响，并导致一个简单的，两步操作分裂算法，由碰撞欧拉步骤，和拉格朗日轨道积分步骤与分析规定的内核。该方法的AP字符的主要数值误差的分析表明，以及通过数值实验。我们证明了该算法的能力，提供准确的答案，无论等离子体碰撞的圆形轴对称托卡马克几何形状。
2021-05-04 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Case study of a differentiable heterogeneous multiphysics solver for a nuclear fusion application
Pasteur Labs（帕斯特实验室）；Ergodic LLC（Ergodic公司）；ISI（信息科学研究所）
本研究针对核聚变Z箍缩场景，基于JAX构建可微ODE求解器，通过Tesseract抽象层兼容不可微的Gkeyll求解器，实现端到端可微的多物理场求解与快速原型开发。
2025-11-17 cs.CE cs.LG cs.MS
An efficient, conservative, time-implicit solver for the fully kinetic arbitrary-species 1D-2V Vlasov-Ampère system
本文考虑了在一维物理空间和二维速度空间（1D-2 V）中，对任意数目的物种，用时间隐式欧拉算法求解了完全动力学（包括电子）的Vlasov-Ampère系统.不同的热和散装速度的速度空间网格的问题处理的自适应坐标变换的弗拉索夫方程为每个物种，然后离散化，包括由此产生的惯性项。质量，动量和能量守恒，高斯定律通过一组非线性约束函数在迭代求解器的非线性收敛容限内强制执行，同时允许在时间，配置和速度空间中选择离散化的显著灵活性。我们减轻了由例如，等离子体频率通过使用高阶/低阶（HOLO）加速迭代隐式求解器。我们提出了几个数值结果的典型问题的不同程度的复杂性，包括多尺度离子声冲击波问题，这表明该计划的功效，准确性和效率。
2020-07-01 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Fluid-kinetic multiscale solver for wall-bounded turbulence
Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research（贾瓦哈拉尔·尼赫鲁高级科学研究中心）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）
本文提出一种两级耦合方法，结合动能DSMC与高阶格子玻尔兹曼方案，用于模拟Re达千级的壁界流。通过验证平面泊肃叶流和Couette流，首次展示HOLB与DSMC结合可观察湍流临界Re时的相干结构再生循环。
2026-03-29 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A high order kinetic flow solver based on flux reconstruction framework
本文的目标是发展一种基于动力学无粘通量方法和通量重构框架的高阶数值方法。KIF的目标是在气体动力学格式（GKS）的优秀优点和较低的计算成本之间找到平衡。KIF的思想可以看作是气体动力学方案的无粘-粘性分裂版本，Shu和Ohwada做出了根本性的贡献。在KIF中实现了全热输运（TTT）格式和动力学通量矢量分裂（KFVS）方法的结合。KIF通过引入一个与时间步长$δt$和平均碰撞时间$τ$相关的系数，自适应地调整TTT和KFVS的权值.通过进行无粘-粘性分裂，KIF非常适合并且易于集成到现有框架中。众所周知的FR框架被广泛使用的鲁棒性，经济的成本和紧凑的优点。KIF和FR的结合源于三个动机。第一个目的是发展一种基于气体动力学理论的高阶方法。第二个原因是保持GKS的优势。最后一个目标是设计的方法应该是更有效的。在目前的工作中，我们使用KIF方法来取代黎曼通量求解器应用在元素的界面。根据气体动力学理论计算了界面处的公共解，使KIF和FR格式的组合更加合理和有效。数值算例验证了本文方法的精度和性能。泰勒-格林涡问题已被用来验证其潜力，模拟湍流。
2020-07-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn
An implicit multiscale solver for steady kinetic equations based on wave-particle decomposition
Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；Shenzhen Research Institute, Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学深圳研究院）；Institute of Applied Physics and Computational Mathematics（应用物理与计算力学研究所）
该研究针对稳态动力学计算的网格解析与误差消除问题，提出基于波粒分解的隐式多尺度求解器，经多类流动算例验证，其在连续介质极限下可减少迭代次数与计算时间，兼具动力学保真度。
2026-10-16 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Grad's Distribution Function for 13 Moments based Moment Gas Kinetic Solver for Steady and Unsteady Rarefied flows: Discrete and Explicit Forms
稀薄流的有效模拟在实际工程应用中引起了广泛的兴趣。在本文中，我们提出了基于13矩的矩气体动力学求解器（G13-MGKS）的Grad分布函数，并基于有限体积框架下离散Boltzmann方程的矩积分推导了宏观控制方程。该方法可以直接从细胞界面周围点的Boltzmann积分方程重构细胞界面上与宏观变量、应力和热流有关的数值通量，从而避免了矩量法中复杂的偏微分方程和繁琐的边界条件处理.同时，给出了数值通量的显式表达式，使求解器从分子速度空间的离散和数值求和中解放出来。为了评估本框架中的13个时刻的梯度分布函数，G13-MGKS与离散和显式形式的数值通量进行了检查，通过几个测试用例，涵盖定常和非定常稀薄流。数值结果表明，G13-MGKS能较准确地模拟连续流场，对中等Knudsen数的稀薄流场也能给出合理的预测。此外，计算和内存成本的测试表明，该框架可以保持高效的特性。
2022-07-19 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Multiscale Universal Interface: A Concurrent Framework for Coupling Heterogeneous Solvers
使用异构求解器的并行耦合数值模拟是建模多尺度现象的有力工具。然而，要进行这种模拟，往往需要对现有准则进行重大修改，这在实践中造成了重大困难。在本文中，我们提出了一个C++库，即多尺度通用接口（MUI），这是能够促进广泛的多尺度模拟的耦合工作。该库采用了只有头的形式，具有最小的外部依赖性，因此可以很容易地放入现有代码中。引入了数据采样器的概念，结合混合动态/静态类型机制，创建一个易于定制的框架，求解器独立的数据解释。该库集成了MPI MPMD支持和异步通信协议，以处理求解器之间的信息交换，而不管求解器自己的MPI意识。模板元编程被大量使用，以同时提高运行时性能和代码灵活性。我们通过解决三个不同的多尺度问题来验证该库，这也证明了该框架在处理异构模型和求解器方面的灵活性。在第一个例子中，库埃特流模拟使用两个同时耦合的光滑粒子流体动力学（SPH）模拟不同的空间分辨率。在第二个例子中，我们耦合确定性SPH方法与随机耗散粒子动力学（DPD）方法来研究表面接枝对表面流体力学性质的影响。在第三个例子中，我们考虑了固体域和流体域之间的共轭传热耦合的基于粒子的能量守恒DPD（eDPD）方法与有限元方法（FEM）。
2015-03-07 cs.CE cs.DC physics.comp-ph
PDRK: A General Kinetic Dispersion Relation Solver for Magnetized Plasma
发展了一种通用、快速、有效的数值计算动力学等离子体色散关系的方法。等离子体色散函数采用$J$ -极展开近似。随后，色散关系转化为一个标准的矩阵特征值问题的等效线性系统。结果对于$J=8$是准确的，除了一些有趣的重阻尼模态的解。与传统的方法，如牛顿迭代法相比，这种方法可以给出系统中的所有解或初始猜测周围的一些解。它也没有收敛问题。该方法从静电一维和三维色散关系，电磁动力学磁化等离子体色散关系的双麦克斯韦分布与平行速度漂移。
2014-10-10 astro-ph.SR physics.comp-ph physics.plasm-ph
A general synthetic iterative solver for axisymmetric rarefied gas and electrostatic charged-particle flows
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）
研究提出AxiGSIS求解器模拟稀薄气体和带电粒子流，采用有限体积离散速度方法与GSIS框架，通过双向耦合加速稳态收敛，经四个基准流验证，能准确捕捉流动物理和粒子响应，减少计算开销。
2026-07-24 physics.comp-ph physics.flu-dyn
High-Order Kinetic Relaxation Schemes as High-Accuracy Poisson Solvers
我们提出了一种新的方法来找到精确的解决方案的泊松方程，从稳态极限的扩散方程与强源项。为此，我们从玻尔兹曼的动力学理论出发，研究高阶项对所得宏观方程的影响。通过执行适当的扩展的平衡分布，我们提供了一种方法来删除不必要的条款，以所需的顺序，并表明它是可能的，以高精度的水平，相当大的克努森数的扩散方程的稳态解。为了测试我们的动力学方法，我们离散的玻尔兹曼方程，并解决泊松方程，花费高达六个数量级的计算时间比标准的格子玻尔兹曼方法为给定的精度。
2015-04-22 astro-ph.IM cond-mat.mes-hall physics.comp-ph
Kinetic Solvers with Adaptive Mesh in Phase Space
本文提出了一种基于相空间自适应网格（AMPS）的速度离散法求解多维动力学方程的方法。一个笛卡尔网格的配置（r）和速度（v）的空间是使用树的树数据结构。在r-空间中的网格是自动生成的嵌入边界周围，并动态地适应当地的解决方案的属性。v空间中的网格是为r空间中的每个单元动态创建的。为位形空间中的平流算子实现的相邻v-空间树之间的映射。我们已经开发了新的算法来解决完整的玻尔兹曼和线性玻尔兹曼方程与AMPS。在速度空间中采用动态自适应网格计算离散Boltzmann碰撞积分的方法有：重要性抽样法、多点投影法和方差缩减法。本文发展了一种计算洛伦兹气体中弹性和非弹性碰撞的线性玻尔兹曼碰撞积分的有效算法。新的AMPS技术已被证明用于模拟高超声速稀薄气体流动、弱电离等离子体中的离子和电子动力学、辐射和轻粒子通过薄膜的输运以及半导体中的电子流。我们已经表明，AMPS允许最小化相空间中的细胞数量，以减少计算成本和内存使用，解决具有挑战性的动力学问题。
2013-10-18 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Hyper Boris integrators for kinetic plasma simulations and their connection to 3D rotation representations
Space Research Institute, Austrian Academy of Sciences（奥地利科学院空间研究所）；Rikkyo University（立教大学）
研究提出用于非相对论动力学模拟的超鲍里斯积分器这一高精度粒子积分器，并探讨其与三维旋转表示的联系，以满足对高精度数值求解器不断增长的需求。
2026-07-07 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Parallel Design of a GPU-Resident Semi-Lagrangian Drift-Kinetic Solver on Unstructured Extruded Tokamak Meshes
Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）
本文提出非结构化挤压托卡马克网格上GPU驻留3X+2V SLDG漂移动力学求解器的并行设计，实现良好的强/弱扩展效率，质量漂移极低，且在AI辅助与回归规范下开发。
2026-10-12 physics.comp-ph
Unified Gas-kinetic Wave-Particle Method IV: Multi-species Gas Mixture and Plasma Transport
本文将统一气体动力学波粒（UGKWP）方法推广到多组分气体混合和多尺度等离子体输运问题。该格式的构造基于网格尺寸和时间步长的直接建模，局部单元的努森数决定了流动物理性质。该方案具有多尺度和渐近复杂度递减特性。多尺度特性意味着根据单元的Knudsen数，该方案可以捕获稀薄流区的非平衡流动物理，并保持连续流区的渐近Euler，Navier-Stokes和磁流体力学极限。渐近复杂性递减性质意味着格式的总自由度随着单元格Knudsen数的减小而自动减小。在连续体区域，该方案自动从动力学求解器退化为流体动力学求解器。在UGKWP中，微观速度分布的演化与宏观变量的演化相耦合，颗粒演化以及宏观通量从时间累积解到时间步长尺度从动力学模型方程来模拟。对于等离子体输运，电流方案提供了一个平滑的过渡，从粒子在细胞（PIC）的方法在稀薄的制度，磁流体动力学（MHD）求解器在连续制度。在连续极限下，UGKWP方法的网格尺寸和时间步长不限于小于平均自由程和平均碰撞时间。在强磁化区，晶胞尺寸和时间步长不受德拜长度和等离子体回旋周期的限制。在多个流态下的数值试验验证了该格式的多尺度性和渐近复杂性减小性。
2020-09-18 physics.comp-ph
WavKinS.jl : an efficient and modular Julia software for solving wave kinetic equations
本文介绍了基于Julia语言开发的高效模块化波动力学方程求解软件WavKinS，它支持多种物理系统并简化了新求解器的开发过程。
2025-03-31 nlin.CD physics.comp-ph
A Family of High-order Gas-kinetic Schemes and Its Comparison with Riemann Solver Based High-order Methods
大多数高阶计算流体动力学（CFD）方法用于可压缩流的通量计算是基于Riemann求解器和Runge-Kutta（RK）时间步进技术。这种方法的主要优点是易于实现，并通过引入更多的中间阶段来提高稳定性。然而，n阶时间精度的RK方法需要不少于n个步骤，这对于高阶方法来说是非常耗时和内存消耗的。而多级多导数（MSMD）方法在使用通量函数的时间导数后，可以用较少的中间级达到相同量级的时间精度，气体动力学格式（GKS）提供了这样一种时间精度的演化模型。通过将二阶或三阶GKS通量函数与MSMD技术相结合，可以构造一族高阶气体动力学方法。作为对已有的两阶段四阶GKS格式的推广，本文将发展两阶段和三阶段的五阶格式。基于相同的五阶WENO重建，气体动力学方案的性能从第二至第五阶时间精度的方法将进行评估。结果表明，由于GKS格式中无粘项和粘性项的耦合，五阶格式不仅可以达到Euler方程的理论精度，而且可以给出精确的Navier-Stokes方程解.与基于Riemann求解器的五阶RK方法相比，高阶GKS在效率、精度和鲁棒性方面具有优势。它为高阶CFD方法的发展提供了一个很有前途的方向，用于计算复杂的流动，如湍流和声学与激波相互作用。
2017-07-31 physics.comp-ph physics.flu-dyn
An asymptotic-preserving five-moment two-species plasma model coupled to an external magnetohydrodynamic solver
Institute for Theoretical Physics I, Ruhr University Bochum（波鸿鲁尔大学理论物理第一研究所）
研究如何准确模拟无碰撞空间等离子体，通过引入渐近保持策略扩展多模型层次结构，将双物种五矩流体与理想MHD求解器耦合，确保模型界面一致性，经磁重联模拟证明了完全耦合框架的有效性和鲁棒性。
2026-07-17 physics.comp-ph physics.plasm-ph
A three-dimensional unified gas-kinetic wave-particle solver for flow computation in all regimes
本文在三维非结构网格上建立了统一气体动力学波粒方法（UGKWP），并进行了多尺度流动模拟的并行计算。UGKWP方法遵循统一气体动力学格式（UGKS）的直接模拟方法，统一模拟不同区域的流动动力学，不需要动力学尺度单元的分辨率，直接得到局部单元的Knudsen数相关的数值解。UGKWP方法由确定性波和随机粒子的演化组成。通过动态波粒分解，UGKWP方法能够在统一的框架下捕捉连续波的相互作用和稀薄粒子的输运，并在不同的流态下实现高效率。通过不同马赫数和努森数的三维激波管问题、盖驱动空腔流动、高速绕流立方体物体和高超声速绕流飞行器等三维算例验证了UGKWP流场求解器的有效性。在天河二号超级计算机上进行了并行性能测试，并在千核处理下观察到了合理的并行性能。由于UGKWP方法采用了波粒方程，因此在求解连续流和稀薄流共存的三维多尺度输运问题，特别是在临近空间飞行的航天器周围高速稀薄流和连续流的问题上具有很大的潜力。
2020-07-26 cs.NA math.NA physics.comp-ph
An advanced fully-implicit solver for heterogeneous porous media based on foam-extend
针对非均质多孔介质模拟的数值挑战，提出基于 OpenFOAM 的全隐式块耦合求解器 coupledMatrixFoam，结合 Eulerian 多流体公式与 Darcy 定律，显著提升了计算效率和数值稳定性，并验证了其在高性能计算中的适用性。
2025-09-16 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Hyper Boris integrators for kinetic plasma simulations
本文提出超Boris求解器族，通过子循环时间步长和各向异性电场回旋相位校正，将标准Boris方法扩展至高阶精度，以可承受计算成本实现∼(Δt/n)^N的数值误差。
2025-05-28 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Fast high-order solvers for the Lippmann--Schwinger equation in piecewise-smooth heterogeneous media
Rice University（莱斯大学）；University of Twente（特温特大学）；POEMS, CNRS, Inria, ENSTA Paris, Institut Polytechnique de Paris（法国巴黎理工学院 ENSTA 巴黎校区，与 CNRS 和 Inria 合作的 POEMS 实验室）
本文针对分段光滑非均匀介质的时谐散射问题，提出了一种结合非结构化网格高阶离散与结构化网格预处理的快速高阶Nyström求解器，其迭代次数与网格尺寸、波数无关，兼具几何灵活性与频率鲁棒性。
2026-08-19 cs.NA math.NA physics.comp-ph
GANDALF: A hardware-agnostic spectral solver for kinetic reduced MHD turbulence
GANDALF是一种基于JAX的谱求解器，用于动能简化的磁流体动力学湍流，通过通用硬件实现高精度计算，降低等离子体湍流研究的门槛。
2025-11-26 astro-ph.IM astro-ph.SR physics.comp-ph
acousticHelmholtzFoam: an MPI-parallel unstructured finite-volume solver for frequency-domain acoustics in heterogeneous two-phase media with perfectly matched layers
TU Darmstadt（达姆施塔特工业大学）
acousticHelmholtzFoam是OpenFOAM的MPI并行频域声学求解器，用于非均质两相介质，经测试精度高、扩展性好，可输出声力评估所需的多种物理量。
2026-10-14 cs.MS physics.comp-ph physics.flu-dyn
Optimization of One-parameter Family of Integration Formulae for Solving Stiff Chemical-kinetic ODEs
本文提出了一种快速、鲁棒的无雅可比时间积分方法--化学动力学常微分方程求解器的最小误差自适应方法（MACKS）--用于求解与化学动力学有关的刚性常微分方程。MACKS公式是基于优化的一个参数的家庭的积分公式，再加上一个双时间步长的方法，以便于误差最小化。该方法表现出更高的精度相比，方法-扩展的鲁棒性增强的数值算法（ERENA）-以前提出的作者。此外，当该方法被用于非稳态点火仿真时，与变系数常微分方程求解器（VODE）相比，它有助于实现更快的性能。
2019-10-12 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Two-stage Fourth-order Gas Kinetic Solver-based Compact Subcell Finite Volume Method for Compressible Flows over Triangular Meshes
为满足小尺度流动结构复杂性和高分辨率的要求，将气体动力学求解器（GKS）与子单元技术相结合，发展了一种两步四阶子单元有限体积（SCFV）方法，用于非结构三角形网格上的可压缩流动.与基于四阶GKS的传统有限体积（FV）方法相比，该方法通过将每个单元划分为一组子单元或控制体积（CV），并仅选择面相邻单元进行高阶紧致重构，从而有效地实现了紧致性.由于一组CV共享一个解多项式，因此重建比传统FV-GKS更有效，因为传统FV-GKS需要单独重建每个CV。与单级三阶SCFV-GKS方法不同，两级四阶时间离散方法的计算精度和计算效率都得到了显著的提高，其中只需要一个二阶气体分布函数，简化了通量函数的构造，降低了计算成本。对于粘性流动，不需要用GKS计算粘性项。与四阶龙格-库塔法相比，在达到四阶时间精度的同时，节省了一半的时间，提高了计算效率。因此，一个新的高阶方法的紧凑性，效率，和鲁棒性相结合的SCFV方法与两阶段的气体动力学通量。几个基准案例进行了测试，以证明该方法在可压缩流模拟的性能。
2021-10-11 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Hamiltonian Normalizing Flows as kinetic PDE solvers: application to the 1D Vlasov-Poisson Equations
CEA（法国原子能委员会）
本文提出基于哈密顿归一化流的 Fixed-Kinetic Neural Hamiltonian Flows 变体，将相空间初始高斯分布经可逆保体积变换映射到末态，用于求解一维 Vlasov-Poisson 方程，并可推广到未见中间态。
2025-05-07 cs.LG physics.comp-ph
Adaptive Kinetic-Fluid Models for Expanding Plasmas
描述了不同条件下瞬态等离子体射流的气体动力学和等离子体效应。我们的统一流动求解器（UFS）的混合连续稀薄流，瞬态气体膨胀动力学和碰撞等离子体膨胀的模拟进行评估。我们确定了进一步的进展，所需的混合流体动力学模拟激光烧蚀和EEE诱导等离子体射流。
2018-01-15 physics.comp-ph physics.plasm-ph
WaterLily.jl: A differentiable fluid simulator in Julia with fast heterogeneous execution
WaterLily.jl 是一个用 Julia 编写的开源可微流体求解器，通过自动微分和 CPU/GPU 异构执行实现与 Fortran 相当的性能，旨在将 CFD 与机器学习框架高效集成。
2023-04-17 physics.comp-ph physics.flu-dyn
GPU Optimization for High-Quality Kinetic Fluid Simulation
流体模拟通常使用不可压缩Navier-Stokes方程（INSE）进行，导致稀疏的线性系统，难以有效地并行求解。最近，基于自适应中心矩多松弛时间（ACM-MRT）模型的动力学方法已经证明了令人印象深刻的能力，可以模拟层流和湍流，其质量匹配或超过最先进的INSE求解器。此外，由于其本地配方，这种方法提供了高度可扩展的并行系统，如GPU上的实现的机会。然而，一个有效的基于ACM-MRT的动力学求解器需要克服许多计算挑战，特别是在处理流体域内的复杂固体时。在本文中，我们提出了多种新的GPU优化技术，有效地实现高品质的ACM-MRT为基础的动力学流体模拟包含复杂的固体域。我们的技术包括一个新的通信高效的数据布局，负载平衡的浸入边界的方法，多内核发射方法使用一个简化的配方ACM-MRT计算，使更大的并行性，并将这些技术集成到一个参数成本模型，使自动参数搜索，以实现最佳的执行性能。我们还将我们的方法扩展到多GPU系统，以实现大规模模拟。为了展示我们的求解器的最先进的性能和高视觉质量，我们提出了广泛的实验结果和其他求解器的比较。
2021-01-28 cs.DC cs.GR physics.comp-ph
Adaptive Algebraic Multiscale Solver for Compressible Flow in Heterogeneous Porous Media
Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）；Stanford University（斯坦福大学）
本文提出了一种自适应代数多尺度求解器（C-AMS）用于异质多孔介质中的可压缩流，通过构建保守的粗尺度系统和局部基函数，结合自适应更新的求解器和多尺度方法，提高求解效率。
2017-05-15 cs.CE cs.NA math.NA
A Posteriori Evaluation of a Physics-Constrained Neural Ordinary Differential Equations Approach Coupled with CFD Solver for Modeling Stiff Chemical Kinetics
Transportation and Power Systems Division, Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室交通与动力系统分部）；Department of Mechanical Engineering, North Carolina State University（北卡罗来纳州立大学机械工程系）
本文提出在 NeuralODE 训练损失中加入总质量与元素质量守恒约束的 PC-NODE，并通过氢空气自燃及三维 CFD 耦合后验实验验证其精度、鲁棒性与泛化能力。
2024-03-04 cs.LG physics.chem-ph physics.comp-ph
A Multiscale Kinetic-Fluid Solver with Dynamic Localization of Kinetic Effects
Université de Toulouse（图卢兹大学）；CNRS（法国国家科学研究中心图卢兹数学研究所）；Institut de Mathématiques de Toulouse UMR 5219（法国原子能和替代能源委员会萨克雷中心）；Commissariat à l’Energie Atomique CEA-Saclay DM2S-SFME（波尔多大学数学研究所）；Université de Bordeaux；Institut de Mathématiques
本文基于前期工作构建了一种鲁棒的多尺度动理学-流体求解器，通过微-宏分解和时空依赖的过渡函数，动态定位并修正流体模型中的非平衡区域，并提出了基于分布函数的新判据来定义流体模型的失效条件。
2009-08-03 cs.NA math-ph math.MP
The Stabilized Explicit Variable-Load Solver with Machine Learning Acceleration for the Rapid Solution of Stiff Chemical Kinetics
National Energy Technology Laboratory（国家能源技术实验室）；Oak Ridge Institute for Science and Education（橡树岭科学与教育研究所）
在这项研究中，介绍了一种在TensorFlow中实现的快速稳定的机器学习混合算法，用于整合刚性化学动力学。微分方程的数值解是计算流体动力学计算的核心。随着模拟的规模和复杂性的增长，对计算能力和时间的需求也在增长。已经做出了许多努力来在GPU上实现刚性化学求解器，但是由于传统刚性求解器算法中的逻辑发散，所以没有非常成功。由于这些限制，一种新的显式稳定变载荷（STEV）求解器已经开发出来。通过引入对每个时间步长的化学物质的最大变化的限制来防止由于相对大的时间步长而导致的超调。为了防止振荡，引入离散傅立叶变换来抑制振铃。与传统的显式方法相比，使用可变负载方法，其中计算域中的每个单元以其独特的时间步长前进。这种方法允许在保持扭曲收敛的同时集成单元，但在不同的迭代中完成并从工作负载中删除。为了提高所引入的求解器的计算性能，使用浅神经网络代替多项式拟合来估计感兴趣的特定热力学量，从而在最小的训练和实施要求下额外节省10%的时钟时间。然而，ML特定的硬件可以将时间节省高达28%。虽然按照现代标准，这些特定机器学习模型的复杂性并不高，但不应忽视对计算效率的影响。结果显示，总化学溶液时间显著减少（超过200倍），同时保持相似的准确度。
2019-06-21 cs.DC cs.GR cs.LG
Fast electrostatic solvers for kinetic Monte Carlo simulations
动力学蒙特卡罗（Kinetic Monte Carlo，KMC）是物理和化学领域的重要计算工具。与标准蒙特卡罗相比，KMC允许描述依赖于时间的动力学过程，并且不限于平衡系统。最近，KMC已成功地应用于新型能源材料，如锂离子电池和太阳能电池的建模。我们考虑一般的固态系统，其中包含自由的，相互作用的粒子，可以在材料中的局部网站之间跳跃。这些跳的KMC跃迁速率取决于系统总势能的变化。对于带电粒子，这需要频繁计算静电相互作用，这通常是模拟的瓶颈。为了避免这个问题，并在合理的时间内获得结果，许多研究用短程近似代替长程势。然而，这会导致系统误差和非物理结果。另一方面，标准的静电解算器，如埃瓦尔德求和或快速泊松解算器是非常低效的或在高分辨率下引入不可控的系统误差。在本文中，我们描述了如何快速多极子方法的Greengard和Rokhlin可以适应克服这个问题，大大降低了计算成本。我们利用的事实是，在过渡率计算中的每一个更新对应于一个单一的粒子移动，并改变配置只有少量。这使我们能够构建一种算法，该算法在每个KMC步骤的电荷数量上线性缩放，这在以前被认为是不可能的。我们证明了该方法的性能和并行可扩展性，通过实现它在一个性能便携式软件库。我们描述了代码的高级Python接口，使其易于适应特定情况。
2020-03-01 cond-mat.mtrl-sci cs.DC physics.comp-ph
Fluid Solver Independent Hybrid Methods for Multiscale Kinetic equations
University of Ferrara（费拉拉大学）
提出一种与流体求解器无关的混合方法，通过耦合蒙特卡罗动力学方法与宏观流体方法，高效求解多尺度动力学问题，并减少数值波动。
2009-08-04 cs.NA math-ph math.MP
BO-PBK: A comprehensive solver for dispersion relations of obliquely propagating waves in magnetized multi-species plasma with anisotropic loss-cone drift product-bi-kappa distribution
College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology（太原理工大学电气与动力工程学院）；Hebei Key Laboratory of Compact Fusion（河北紧凑型聚变重点实验室）；ENN Science and Technology Development Co., Ltd.（新奥科技发展有限公司）
BO-PBK是一种用于磁化多物种等离子体中斜向传播波色散关系的高效求解器，支持多种分布函数并提升计算效率。
2025-12-07 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Scalable Implicit Solvers with Dynamic Mesh Adaptation for a Relativistic Drift-Kinetic Fokker-Planck-Boltzmann Model
本文针对相对论漂移动力学失控电子模型，开发了结合动态网格自适应（AMR）与全隐式时间步进的可扩展求解器，通过引入新型AMR预测策略和基于PETSc的框架，实现了高效的特征捕捉与并行计算。
2024-03-20 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Unsupervised Discovery of Inertial-Fusion Plasma Physics using Differentiable Kinetic Simulations and a Maximum Entropy Loss Function
Ergodic LLC（Ergodic有限责任公司）；University of Michigan（密歇根大学）
等离子体支持集体模式和粒子波相互作用，导致惯性聚变能量应用中的复杂行为。虽然等离子体有时可以被建模为带电流体，动力学描述是有用的对非线性效应的研究在更高维的动量位置相空间，描述了等离子体动力学的全部复杂性。我们创建了一个可微求解器的等离子体动力学三维偏微分方程，并引入了特定领域的目标函数。使用这个框架，我们执行基于梯度的优化神经网络，提供强制函数参数的微分求解器给定一组初始条件。我们将其应用于惯性融合相关的配置，并发现优化过程利用了一种新的物理效应，以前一直未被发现。
2022-07-27 cs.LG physics.comp-ph physics.plasm-ph
Enabling direct kinetic simulation of dense plasma plume expansion for laser ablation plasma thrusters
激光烧蚀等离子体推力器是一种新兴的空间推进概念，为轻质有效载荷提供了希望。预测这些推进器的寿命和性能取决于烧蚀等离子体羽流的膨胀动力学的综合表征。虽然用于模拟等离子体的最新技术通常是基于粒子的，但基于网格的直接动力学求解器通过消除统计噪声而在这种瞬态和非均匀问题中具有优势。采用一种包含粒子间碰撞的直接动力学求解器，求解了一个在构型和速度空间中各跨一维的羽流膨胀模型问题。羽流膨胀固有的热力学非平衡的高度的特点，证明需要一个动力学，而不是一个混合或流体求解器。推力相关的指标，如动量通量也计算。羽流动力学观察到在空间上是高度不均匀的，在膨胀前的区域中热化的时间不足，并且建立了在域的远端将局部网格分辨率降低两个数量级的理论可能性。这些网格点的要求通过采用各种膨胀比的非均匀网格来验证，其中一些还采用了速度空间中的粗化。探索较长的域长度来表征推力器尺度的现象，并模拟较大的环境压力作为测试平台，以探测由于与背景粒子碰撞而产生的设施效应。
2022-09-21 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
A practical approach to the sensitivity analysis for kinetic Monte Carlo simulation of heterogeneous catalysis
晶格动力学蒙特卡罗模拟已成为一个重要的工具，预测质量原子的理解复杂的表面化学反应动力学在广泛的反应条件。为了扩大它们的实际价值，在原子水平的催化体系的设计提供指导方针，这是非常可取的，容易评估一个给定的模型的灵敏度分析。这种敏感性分析的结果定量地表达了作为主要输出变量的周转频率对进入模型的速率常数的依赖性。在过去的敏感性分析的应用，如度的速率控制，一直受到阻碍，其旺盛的计算工作所需的准确采样的数值衍生物的属性，是从随机模拟方法。在这项研究中，我们提出了一个有效的和强大的三阶段的方法，能够可靠地评估刚性微观动力学模型的灵敏度措施，我们证明使用CO氧化RuO2（110）作为原型反应。在第一步中，我们利用Fisher信息矩阵过滤出的基本过程，只产生可忽略不计的敏感性。然后，我们采用了基于线性响应理论的估计量，用于计算非临界条件下的敏感性测度，该方法涵盖了大多数情况。最后，我们采用耦合有限差分采样的方法来评估基于格点的模型的灵敏度度量。这使得即使在迄今难以控制的二阶相变附近的临界区域中也能够进行有效的评估。相结合的方法导致显着的计算节省直接的数值导数，并应有助于加速非均相催化剂的纳米尺度的设计。
2016-11-22 physics.chem-ph physics.comp-ph stat.CO
The Two-Dimensional Swept Rule Applied on Heterogeneous Architectures
描述可压缩流体流动的偏微分方程可能非常难以在实用规模上求解，并且通常需要使用高性能计算系统和/或加速器。然而，这些系统面临着诸如延迟、系统中的设备之间通信信息的固定成本等缩放问题。扫掠规则是一种技术，旨在通过在通信之前在尽可能多的空间位置和时间获得非定常方程的解来最小化这些成本。在这项研究中，我们实现和测试的扫描规则解决二维问题的异构计算系统在两个不同的系统。我们的求解器显示了0.22 - 2.71的热扩散方程和0.52 - 1.46的可压缩欧拉方程的加速比范围。我们可以从这项研究中得出结论，扫描规则提供了加速和减速的潜力，在设计这样的求解器时应该小心，以最大限度地提高效益。这些结果可以帮助做出决策，以最大限度地提高这些好处，并为设计提供信息。
2021-04-01 cs.DC cs.MS physics.comp-ph
Accelerating finite-rate chemical kinetics with coprocessors: comparing vectorization methods on GPUs, MICs, and CPUs
高效的化学动力学常微分方程求解器必须考虑底层硬件的可用线程和并行级并行性，特别是在众核协处理器上，以及数值效率。使用OpenCL实现了刚性Rosenbrock和非刚性Runge-Kutta求解器，使用单指令多线程（SIMT）和单指令多数据（SIMD）范式。这些并行实现的性能进行了测量，在几个多核和众核平台上的三个化学动力学模型。进行了两个运行时基准测试，以清楚地确定任何一种方法提供的性能优势：并行评估右侧源项，并使用Rosenbrock和Runge-Kutta求解器集成一系列恒压均质反应器。在主机多核Xeon CPU和众核Xeon Phi协处理器上使用SIMD并行性进行的右侧评估的执行速度比基线多线程代码快约三倍。主机和Phi上的SIMT模型比基线慢13-35%，而GPU上的SIMT模型提供了与Phi上的SIMD模型大致相同的性能。与基线并行代码相比，两个ODE求解器的运行时间减少了2.5- 2.7倍（在主机CPU上实现SIMD）和4.7- 4.9倍（使用Xeon Phi协处理器）。GPU上的SIMT实现比基准多线程CPU代码快1.4-1.6倍;然而，这比主机CPU或Xeon Phi上的SIMD版本慢得多。三个平台之间的性能差异归因于ODE积分器内的自适应步长引起的线程发散。分析表明，GPU的更宽矢量宽度比更窄的Sandy Bridge或Xeon Phi产生更高的发散水平。
2017-08-29 cs.DC physics.chem-ph physics.comp-ph
A Comparison of Massively Parallel Performance Portable Particle-in-Cell schemes for electrostatic kinetic plasma simulations
PSI Center for Scientific Computing, Theory and Data（瑞士保罗谢尔研究所科学计算、理论与数据中心）；ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）；Jülich Supercomputing Centre, Forschungszentrum Jülich GmbH（于利希超级计算中心，于利希研究中心有限公司）
本文比较了不同泊松求解器在静电Vlasov-Poisson系统中的性能，评估了IPPL库中不同PIC方案的效率与可移植性，发现PIF方案在可扩展性上表现优异。
2026-05-06 cs.CE physics.comp-ph
A mass-conserving sparse grid combination technique with biorthogonal hierarchical basis functions for kinetic simulations
本文提出双正交和全加权两种层次基函数，用于改进稀疏网格组合技术在动理学模拟中的质量守恒性与数值稳定性，并通过有限体积平流和半拉格朗日Vlasov–Poisson实验验证其精度提升和稳定化效果。
2022-09-23 cs.CE physics.comp-ph physics.plasm-ph
Porting the grid-based 3D+3V hybrid-Vlasov kinetic plasma simulation Vlasiator to heterogeneous GPU architectures
本文介绍了将空间等离子体模拟代码Vlasiator移植到异构CPU/GPU架构的设计方案，通过统一代码库支持CUDA和HIP，提出高效稀疏速度网格调整方法，为未来百亿亿次模拟奠定基础。
2024-06-04 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
