可压缩湍流边界层在超/高超声速飞行器等航空航天应用中广泛存在。开展 可压缩湍流的研究既是航空航天飞行器设计的迫切需求，又有重要的理论意义。 直接数值模拟（Direct Numerical Simulation，DNS）能够提供精度和分辨率最高 的湍流数据，而且不需要湍流模型，是研究可压缩湍流的最有力的手段之一。但 当前，制约可压缩 DNS 发展的主要因素有以下两个，1. 直接数值对计算机资源 需求极大，需要与高性能计算技术深度结合；2. 在对高超声速、强激波、分离的 流动进行模拟时，数值方法的低耗散与高鲁棒性的矛盾点被激化，需要进一步发 展数值方法，以扩宽 DNS 的应用范围。本文致力于对这两个难题进行攻关。具 体研究内容如下： （1）面向 CPU（Central Processing Unit）-GPU（Graphics Processing Unit）异 构超算体系，开发了一套适用于可压缩湍流高精度数值模拟的计算流体力学软 件 OpenCFD-SCU（open computational fluid dynamic code for scientific computation with GPU system），该软件基于有限差分方法，使用 GPU 加速。与基于相同算 法和相同 MPI（Message Passing Interface）进程数的 CPU 软件相比，能加速 200 倍以上。在升力体算例中，OpenCFD-SCU 仅使用 512 个 GPU 的运行速度就超 过了使用 13 万个 CPU 核的 CPU 计算。本文使用 GPU-Stream 技术实现了计算 和通信的重叠，在 24576 个 GPU 上达到了 98.7% 的并行弱可扩展性。该软件代 码行数超过两万行，包括了多种高精度有限差分格式，大幅提升了可压缩 DNS 能力。该软件已开源，希望可以为可压缩湍流的研究提供新的数值工具，软件源 代码可在http://developer.hpccube.com/codes/danggl/opencfd-scu.git. 上获得。此外， 本文介绍了针对 GPU 硬件的程序编写与优化方法，可以为其它学科的数值模拟 软件开发提供参考。 （2）在高超声速边界层流动中，存在激波，流动分离等复杂现象，在数值仿 真中，计算的高鲁棒性与低耗散难以同时满足。针对该问题，本文在 Jameson 人 工粘性系数的基础之上，改进得到了新的激波识别器，并基于此发展了三种有 限差分格式混合的混合格式。在可压缩流动模拟时，流场中的大部分位置采用 低耗散的 7 阶线性迎风格式；在激波和间断处，根据所需耗散的不同，采用 7 阶 WENO（Weighted Essentially Nonoscillatory）或 5 阶 WENO 格式。该混合格式能 够兼顾高精度与高鲁棒性，在多个大规模问题的模拟中得到了验证；结果表明， 流场 90% 以上的位置都使用高精度的 7 阶迎风格式，且计算鲁棒性大幅提升。 （3）利用开发的 OpenCFD-SCU 软件，本文进行了平板、钝锥、升力体及压 缩折角等多个算例的 DNS，并建立了开放的壁湍流数据库。这些流动算例具有 典型性，包含了超/高超声速多个来流马赫数，几何构型从简单的几何外形到接 近真实飞行器外形。数据库中的算例具体为；来流马赫数为 2.9 的 24∘ 压缩折角， 网格数为 76.8 亿；来流马赫数为 6 的 34∘ 压缩折角，网格数为 93 亿；来流马赫数为 10 的冷壁平板湍流边界层，摩擦雷诺数为 1550，网格数为 45 亿；头部半径 为 1 mm，攻角为 0 ∘ 的钝锥湍流边界层，网格数为 240 亿；来流马赫数为 6 的升 力体模型，网格数为 111 亿。与同类的数值模拟结果相比，本文数据库中算例具 有更大的计算域、更高的分辨率或更高的雷诺数。本文对这些不同情况的流动进 行了验证、分析和比较。数据的获取方式可以在 OpenCFD-SCU 源代码的开源网 站http://developer.hpccube.com/codes/danggl/opencfd-scu.git. 上获得，用户可以下 载数据，也可参考相关设置自行设计算例。希望该数据库能够给湍流机理研究， 模型发展，人工智能训练等带来帮助。