曾亚东：探索超级计算机和流体动力学的奇妙反应一名杰出研究员在美国的科研之路

我们的生活中充满了各色各样的流体，例如空气、流水以及坚冰，它们的变化，以及背后的流动规律，无一不令人着迷，而对它们的研究，则依赖于超级计算机。2022年，毕业于美国明尼苏达大学的曾亚东博士，给出了大规模并行模拟流体运动的实际解决方案，深入探究并行算法如何高效地利用CPU/GPU/TPU等硬件，以此获得成倍的模拟加速。

兴趣引导，专注科研

在广阔的海洋中，柔性立管被广泛应用在近海的油井作业或浮动隧道中。当海水围绕这些管子流动时，由于水流产生的漩涡，管子可能会产生振动。这种特定的振动被称为涡激振动（VIV）。了解导致这些管道振动的强度对于我们设计如立管这样的设备至关重要。

“那我们该如何测量这种振动的强度，以确保立管不会损坏呢？”这是本科时的曾亚东第一次对科研产生了兴趣。

在实际试验中，直接测量立管受到的力可能会有困难，因为大型测量设备可能会干扰水流。如果换小一点的设备来测量形变，能不能通过形变算出立管的受力呢？在付世晓老师和师兄师姐的指导下，曾亚东使用逆有限元方法（IFEM）研究了均匀流中经历涡激振动（VIV）的柔性立管的水动力学，从而成功地从试验观察到的形变中，推断出了作用于管子上的受力分布，为这一领域的研究提供了新的视角。

时至今日，曾亚东还记得当他得到验证过的计算结果后，那种内心的欣喜，“那种感觉，就好像心口处被开启了，原来科研这么有意思”。

2016年，曾亚东以Top"1%的成绩毕业于上海交通大学船舶与海洋工程专业。带着对计算模拟的兴趣，他来到美国明尼苏达大学机械工程系攻读博士学位。为了充实自己，曾亚东在读博期间，积极修习不同系所的课程。除了机械工程的博士学位，他不仅顺带拿下了机械工程系的硕士学位、数学系的Ph.D."minor，还在美国德州奥斯汀大学拿到了计算机硕士学位的证书。这极大地丰富了他从多学科看问题的视野，也为他打下了坚实的科研基础。

在明尼苏达大学，曾亚东的主要研究是关于自适应网格在流体动力学中的运用。想象一个场景，在巨大的海面上，波浪汹涌，这些波浪的破碎会产生气泡、飞沫，而它们在海洋和大气的物质和热流交换的过程中扮演着重要的角色。为了了解这种交换背后的机制，我们需要模拟整个物理过程。超级计算机为我们开辟了新的途径，但是这还远远不够。如果想要捕捉微米量级的飞沫，我们就只能把有限的计算资源用在需要的地方，这背后，便是自适应网格技术的真义。我们在极小尺度的飞沫附近用很细的网格来模拟，而在平缓的大尺度波浪旁边只用很粗的网格，这样有的放矢，集中力量办大事。

虽然听起来很简单，但真正地实施却有一定的难度。自适应网格技术在1985年左右就被提出，但因为它的算法复杂，到目前为止，全世界也没有多少并行计算框架来支持自适应网格在各种硬件（例如CPU和GPU）上的运行。为此，曾亚东从头写起，建立了基于块状自适应网格的面向对象的并行框架。此框架用于并行模拟多相流体，确保在超级计算机系统下快速获得结果。实践出真知，他的框架在美国海军研究所和国家自然科学基金委资助的研究项目中成功得到了应用。

曾博士的研究并不只于此，他还进一步应用这一先进的框架来模拟各种流动问题。他通过创建虚拟的3D仿真模型，开发了一个能够模拟鳗鱼游动的计算机程序。这不仅仅是关于鱼类的研究，了解生物在水中的运动方式，还有助于生物学研究、设计水下机器人，以及建立新的数学模型。曾博士的程序不仅仅能模拟鳗鱼的大尺度游动形态，还能够通过调整虚拟的filament，来捕捉鱼鳍的细节。“因为我们有自适应网格，所以我们可以精细地捕捉我们想观察的地方。”曾博士如是说。

此外，他的系统还可以展示某些转换机如何捕获并利用海洋波浪的能量，这对于从海洋创造可持续能源至关重要。“我的计算框架能够精确模拟将波浪能转化为电能的设备，从而从不规则波浪的每一个波浪分量中获取更多的能量。”事实上，在进行昂贵且可能存在风险的海洋试验之前，开发商可以使用曾博士的方法在虚拟环境中测试和优化波浪能量转换器的新设计。鉴于化石燃料对地球环境的压力越来越大，对于一些临海面积广阔的国家（比如美国、中国等），如果能更好地利用海洋波浪能，其潜力巨大，大约可以满足全球15%的能源需求。

读博五年，曾亚东的成就发表在了包含Journal"of"Computational"Physics（JCP），International"Journal"of"High"Performance"Computing"Applications（IJHPC）在内的多个国际权威杂志上。与此同时，他也是多个知名期刊的审稿人。2021年，曾亚东博士受邀担任SIAM"CSE21自适应网格技术迷你研讨会的联席主席；2022年9月和2023年1月，曾博士分别应浙江西湖大学范迪夏教授和上海交通大学万德成教授之邀，进行了题为“带有自适应网格细化的两相流和流体-结构相互作用问题的数值模拟”的报告。曾博士与学界的这种紧密互动，无疑加强了学术研究与实际应用之间的联系，为未来的技术创新和应用铺设了坚实的基础。

拓宽合作，厚积薄发

曾亚东博士在科研上的成就，不仅是他苦心孤诣的成果，也得益于他的合作精神。他乐于参与团队合作，不断从其他的优秀研究者身上学习。读博期间，他在导师的资助下，先后三次访问了美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL），并和美国国家科学院院士John"Bell、实验室应用数学系主任Ann"Almgren进行了深入的学习交流。在伯克利实验室实习期间，他参与开发了ARTEMIS平台。该平台用于模拟微电子学和其他宏观动力学的相互作用，适合下一代的异构超算平台。我们日常使用的设备，如智能手机、健康监测器，甚至保护我们国家基础设施的先进系统，都高度依赖微电子——那些能以闪电般的速度处理信息的微小组件。为了使这些组件变得更好、更高效，曾博士与伯克利实验室的研究人员开发的特殊工具，可以帮助我们理解和模拟它们是如何处理信号的。ARTEMIS平台上的工具不仅仅是理论上的，它们在现代计算机系统上，无论是使用CPU还是GPU，都运行得非常快。

除此之外，曾亚东博士关于上述微电信号模拟的算法也被植入了由美国国家能源部资助的开源框架WarpX中。值得一提的是，WarpX曾获得2022年ACM"Gordon"Bell奖，这是一个在高性能计算领域的著名奖项。曾博士说：“实际上，我对我们ARTEMIS和WarpX的具体工业运用非常感兴趣，例如旋转动力学、量子芯片以及纳米传感器等。这些应用涉及我们的日常生活，我想看看，仿真究竟能给我们带来什么样的洞见和物理机制层面的认识。”

毕业后的曾博士，继续着他对超级计算机和流体动力学的探索之旅。在一系列高强度面试后，他力压来自美国阿贡国家实验室、美国可再生能源实验室等多名求职者，成功入职总部位于密歇根州的Altair"Engineering"Inc，成为一名高级工程师。Altair"Engineering"Inc是计算科学和人工智能领域的全球技术公司，提供仿真、高性能计算（HPC）和数据分析领域软件及云解决方案。在那里，他主导构建了用于模拟复杂几何体的流动框架，支持OpenMP、MPI和CUDA等多种并行方式。为了使用户能够快速获得计算结果，他也独立开发了基于多重网格的高效求解器，并使其与公司的预处理工具和后处理软件深入耦合，从而构建了端到端的稳健的计算流体动力学模拟产品Inspire"CFD。该产品已为Altair"Engineering"Inc带来了不菲的收入和全球的众多客户，其中包括Evenflow、Scania"AB和Triton"Bikes等著名公司。

闲暇时的曾亚东，乐于把自己的知识传播给更多的朋友。他在视频平台Bilibili录制了几百期关于并行计算、流体力学和机器学习的教学视频，积累了四千多粉丝。“通过别人的反馈，能更好地检验自己是不是真的懂了。”曾亚东说，“我希望自己能做计算流体力学这个小分支下最棒的入门视频，让学生或者业内同行看了有所收获。也许以后，美国或者中国的大学老师会采用我的教学视频呢！”

在纽约州Altair"Engineering"Inc的办公室里，曾亚东常常积极地测试客户发来的算例，并和客户不断地沟通。“虽然我是研究型工程师，更多的时候都在设计软件、研究算法，但是从客户的角度思考，才能让我们的产品更便于使用、对用户更友好。我认为，通往杰出本身的一个要素，就是要更接地气。”这是采访的最后，曾亚东想分享给读者的一句话。

"""""""""""编"辑/朱艳君