《22 财年美海军研究实验室：美国防部高性能计算现代化计划年度报告》2023最新200页

本书汇集了 2022 财年 NRL 科学家、工程师及其合作者利用国防部高性能计算现代化计划 (HPCMP) 资源完成的所有工作报告。这些报告涵盖了 NRL 所有三个基地的研究人员所完成的工作： 华盛顿特区、密西西比州斯坦尼斯太空中心和加利福尼亚州蒙特雷。

这些报告根据 HPCMP 规定的主要计算技术领域 (CTA) 进行分类，包括国防部超级计算资源中心 (DSRC) 和附属资源中心 (ARC) 的资源。为便于参考，本卷包含实验室各分支机构和部门的报告。

计算结构力学

计算结构力学涵盖材料和结构在各种加载条件下的高分辨率多维建模，包括准静态、动态、电磁、冲击、穿透和爆炸。它还包括材料设计这一高度跨学科的研究领域，其中从原子尺度到宏观尺度的多尺度建模至关重要。CSM 包括固体力学中的各种工程问题，如材料或结构对时间和历史加载的响应、大变形、断裂传播、冲击波传播、各向同性和各向异性塑性、频率响应以及非线性和异质材料行为。CSM 的高性能计算可解决守恒方程、运动方程、状态方程和构成关系的精确数值求解问题，以模拟简单或复杂的几何形状和材料特性，并受外部边界条件和载荷的影响。CSM 可用于连续介质力学的基础研究、工程设计研究的应力分析、预测结构和材料对冲击载荷的响应，以及异质嵌入式传感器/设备的响应建模。国防部的应用领域包括常规水下爆炸和船舶响应、结构声学、耦合场问题、空间碎片、推进系统、结构分析、总体武器模拟、武器系统的致命性/可生存性（如飞机、船舶、潜艇和坦克）、战区导弹防御致命性分析、优化技术以及实时、大规模士兵和硬件内环地面车辆动态模拟。

计算流体动力学

计算流体动力学（CFD）包括高性能计算，其目标是对描述流体运动的方程进行精确的数值求解，以及在流体动力学研究中对数字计算机的相关使用。CFD 用于流体动力学的基础研究，以进行复杂流动配置的工程设计，并预测燃烧和推进过程中化学与流体流动的相互作用。它还用于解释和分析实验数据，以及推断无法进入或研究成本过高的状态。CFD CTA 的工作包括国防部感兴趣的所有雷诺数流动机制和尺度。不可压缩流动通常速度较慢（例如，控制潜艇、慢速飞机、管道流动和空气循环的动力学），而可压缩流动在速度较高时非常重要（例如，控制跨音速和超音速飞机、导弹和射弹的行为）。流体动力学本身涉及一些非常复杂的物理学问题，如边界层流动、向湍流的过渡以及湍流动力学，这些都需要持续的科学研究。CFD 还必须结合复杂的附加物理学来处理许多实际问题。这些影响包括附加力场、与表面原子物理学和微物理学的耦合、相的变化、化学成分的变化以及异质流中多相之间的相互作用。这些物理复杂性的例子包括用于大气再入、微电子机械系统（MEMS）、材料加工的直接模拟蒙特卡洛和等离子模拟，以及用于先进动力系统和武器效应的磁流体动力学（MHD）。CFD 对几何形状没有限制，包括确定流动的固体边界的运动和变形。

计算生物学、化学和材料科学

计算生物学、化学和材料科学涵盖用于预测化学品和材料（包括纳米和生物材料）基本特性的计算工具。目前正在研究的特性包括分子几何形状和能量、光谱参数、分子间作用力、反应势能面和机械特性。在国防部内部，量子化学、分子动力学、统计力学和多尺度方法被用于设计新的化学、聚合物、纳米分子和生物分子系统，用于燃料、润滑、激光防护、爆炸、火箭推进、催化、结构应用、燃料电池和化学防御。固态建模技术被应用于电子、光学计算、先进传感器、飞机发动机和结构、半导体激光器、先进火箭发动机部件和生物医学应用领域的新型高性能材料的开发。计算生物学、化学和材料科学（CCM）CTA 最近新出现的兴趣点是涵盖生物信息学工具、计算生物学和相关领域（如细胞建模）的方法。

计算电磁学和声学

CEA 涵盖两个主要计算学科。计算电磁学涵盖麦克斯韦方程的高分辨率多维解法。国防部的应用包括计算射频（RF）传感器性能、战术地面、空中和海上飞行器的雷达散射、掩埋弹药的电磁特征、高功率微波性能，以及磁流体力学和激光系统的跨学科应用。计算声学领域包括固体和流体中声波方程的高分辨率多维解法。国防部的应用包括用于监视和通信的声场建模、用于水雷探测的地震场建模，以及用于杀伤人员武器的爆炸声冲击波建模。

气候气象海洋建模

气候气象海洋建模侧重于对地球大气层和海洋进行精确的数值模拟，模拟的空间和时间尺度对科学理解和国防部业务使用都很重要。该 CTA 包括对大气变异性（如温度、风、气压、相对湿度、云层、降水、风暴、气溶胶和痕量化学品、表面通量等）和海洋变异性（如温度、盐度、海流、潮汐、波浪、冰运动和浓度、沉积物迁移、光学清晰度等）的模拟和预测。从大气层顶部到海洋底部都进行了数值模拟和实时预报。CWO 还包括开发数值算法和技术，以便将现场和遥感观测数据同化到数值预报系统中。CWO 日常应用于国防部的特定战争领域、任务规划和执行（空中、地面、海上和太空），以及飞行和海上安全、搜索和救援、飞机和船舶最佳航线和武器系统设计。该 CTA 为国防部提供 (1) 实时、高分辨率的天气和海洋预报，以便在恶劣天气和海洋条件下做出明智决策和提高作战能力；(2) 动态海洋和大气环境的逼真模拟，以便有效地进行任务规划、演练和培训以及物资采购。

信号图像处理

信号图像处理包括实时从传感器输出中提取有用信息。国防部的应用包括监视、侦察、情报、通信、航空电子设备、智能弹药和电子战。传感器类型包括声纳、雷达、可见光和红外图像，以及信号情报（SIGINT）和导航资产。典型的信号处理功能包括在噪声和干扰中探测、跟踪、分类和识别目标。图像处理功能包括生成高分辨率、低噪声图像以及压缩图像用于通信和存储。CTA 强调研究、评估和测试针对这些嵌入式系统的最新信号处理概念。这类处理器通常安装在可部署的军事系统上，因此需要厚重的包装和最小的尺寸、重量和功率。通过开发在灵活的高性能计算系统上运行的可扩展代码，系统的可负担性有望提高一个数量级。这将使实现高速信号/图像处理所需的传统昂贵的军用专用 "黑盒子 "被基于 COTS HPC 的设备所取代。

空间与天体物理科学

空间和天体物理科学（SAS）的研究和开发促进了对地球大气层和空间领域的理解、规范和预测，以利用扩展的作战环境来发挥军事优势，并最大限度地减少环境对军事行动的影响。SAS 计算技术领域（CTA）体现了数学、计算科学和工程学在分析、设计、识别、建模和模拟空间和近空间环境以及其中所有人工或自然物体方面的应用。SAS CTA 包括研究太阳和地球大气层的基础发现研究，包括太阳活动及其对地球大气层、电离层和近地空间的影响，以及天体来源的独特物理和特性。SAS 采用大量物理和经验模型及分析工具，将观测结果和理论认识结合起来，不断改进国防部企业在扩展业务环境中的运作和利用。CTA 将原子和分子物理学、材料科学、等离子物理学、应用光学、辐射生存能力、电子战、定向能技术、宇航学和空间推进、轨道力学、空间态势感知和遥感等广泛的物理科学优势融合到一个结构中，帮助国防部提高部队战斗力。