多物理并行数值模拟中的两层紧耦合联接算法

复杂物理现象通常由多类复杂的物理过程紧耦合构成,其数值模拟也通常由适用不同物理过程的多类并行应用程序紧耦合完成．如何设计这些物理过程之间的联接算法,既要保证程序之间数据传递的高效,又要保证程序各自运行和总体模拟的高效,还要保证程序各自开发的独立,是一个值得研究的课题．该文基于广泛应用于高温高压多物理研究中的辐射流体力学和中子输运多物理并行数值模拟,在非结构网格上,提出了两种联接算法：完全松散联接算法和两层紧耦合联接算法,前者侧重于实现程序各自运行的高效和开发的独立,后者在前者的基础上,还权衡了数据传递和总体模拟的高效．在两台并行机的数百个处理机上,通信复杂度分析和数值实验结果表明两个算法均是有效的,可推广适用于辐射或中子输运与其他流体力学的多物理并行数值模拟应用中．特别地,两层紧耦合联接算法是高效可扩展的,取得了近似最优的并行性能．     

非结构网格上求解中子输运方程的并行流水线Sn扫描算法

间断有限元离散纵标方法(Sn)是广泛应用于求解高维非定常中子输运方程的数值方法,它涉及几何网格空间、速度相空间和中子能群的离散,计算量很大．该文基于非结构网格,提出了基于区域分解的并行流水线Sn扫描算法,通过设计具有不同内在并行度和通信面体比的区域分解方法和队列插入算法,对两个不同物理模型,分别使用两台并行机的92个和256个CPU,获得72倍和78倍以上的加速．可扩展性能分析表明,算法的性能非常依赖于并行机的点对点通信延迟．     

一种改进的求解输运方程的并行Sn扫描算法

非结构网格上求解粒子输运方程的可扩展并行算法是一个亟待解决的课题。本文在文献[1]并行流水线勖扫描算法的基础上提出了一种改进算法。改进后的算法可以有效降低原算法对并行机通信延迟的依赖,减少程序运行的通信时间,达到了缩短并行计算时间和提高并行性能的目的。针对二维粒子输运问题进行的数值实验表明,从64扩展到256个处理机时,加速比呈线性增长,改进算法比原算法的并行计算时间最大减少了19％。     

一种基于群划分求解二维中子输运方程的并行算法

二维中子输运方程是科学计算中的一类重要的偏微分方程,其数值求解的计算量非常巨大,通常采用并行化的方法求解。本文通过按群进行数据划分、组织并行计算,提出了一种按群划分的负载平衡算法。理论分析表明,大多数情况下的负载平衡度接近1,较好地解决了群并行方法求解过程中存在的负载不平衡和并行效率低的问题,在12个CPU的的PC集群上得到了线性加速比。     

一种求解输运方程的并行调度算法

高效并行扫描问题是调度问题的子集,调度问题是NP完全问题.针对输运问题的特点,如何按特定的计算次序调度本地网格单元,以保证最佳的计算与通信性能是一个难度很大的问题.文中设计了一种基于局部深度优先的优先级(PDFDS)算法,该算法具有局部性、通信量小、优先级队列好等特点.将PDFDS算法应用到求解二维粒子输运方程的程序中,与现有的调度算法相比,新算法具有更好的并行计算效果,对于大规模计算问题,可以扩展到1024个处理器,相对于64个处理器的并行效率达到了96%.     

基于结构网格的高超声速流动大规模并行数值模拟研究

本文采用MPI消息传递模式自主开发出适用于高超声速流动数值模拟的并行计算软件,该软件以三维Navier-Stokes方程为基本控制方程来求解层流问题,应用基于结构网格的有限体积法对计算域进行离散,采用AUSMPW+格式求解对流通量,利用MUSCL插值方法获得高阶精度,时间格式上采用LU-SGS方法进行时间迭代以加快求解定常流动的收敛过程。在高性能计算机上针对不同高超声速流动进行大规模并行计算的结果表明,所开发的CFD并行计算软件具有较高的并行计算效率,为高超声速飞行器气动力/热的准确预测提供了高效工具。     

并行计算在高超声速流场数值模拟中的应用

采用计算流体力学方法,对高超声速流场进行了多区并行计算研究。基于MPI消息传递库采用Fortran语言编制了CFD并行计算程序,对NS方程采用AUSMPW+格式和LU-SGS方法求解。针对流场采用多区剖分,将每一个子区分配给相应节点进行计算。每一迭代步,相邻子区域间交换边界数据。计算表明,本文所建立的程序和方法是可行的,能够进一步延伸到大规模并行计算和工程应用中。     

高性能并行计算在航空航天CFD数值模拟中的应用

本文介绍了高性能并行计算在CFD数值模拟中的应用。CFD高性能并行计算可扩大求解规模,加快求解速度,是CFD实现高效计算的必然发展趋势。本文通过"数值风洞"的概念分析了CFD高性能计算的应用前景及对高性能计算的需求。通过某乘波飞行器前体并行算例对8～256CPU的CFD大规模并行效率和加速比进行了分析,并将CFD并行计算应用于高温热化学非平衡的返回舱数值计算中。     

结构动力数值仿真两级并行计算系统开发及应用

根据分布式存储并行计算机的体系结构特点,设计了一个结构动力数值仿真两级并行计算系统.首先通过两级分区为并行计算准备数据,并将数据分布式存储在各节点的局部存储器上;在结构动力分析过程中,通过进一步缩减问题规模和有效地提高通信效率大幅度减少了界面方程求解时间以及系统求解总时间.文中详细阐述了该系统工作原理、并行计算流程和系统实现的相关软件开发工具.最后通过典型数值算例验证了该系统的有效性.     

多层油藏模拟并行计算与负载平衡

在油藏数值模拟并行计算中,提高计算速度和资源利用率是一个重要的研究方向,给出分布式并行环境下一种多层油藏模拟并行计算的整体优化方法,其特点是使用高效的区域分解方法并行求解,动态选择两种不同的计算粒度,有效地克服了负载不均衡带来的性能下降问题,实际模型计算表明,此方法策略减少了整体模拟计算时间,并获得较高加速比,采用的算法适用于一类多层油藏模型问题。     

近断层危害场的三维并行数值模拟

在采用Metis软件包进行区域分解的基础上,结合大型稀疏矩阵的行压缩存储方式,求解基于预处理共轭梯度法的有限元方程组,开发并行有限元计算程序。对三维地质模型进行计算模拟,得到的张店-仁河断裂近断层地震危害场的位移场数值计算结果表明,该并行程序取得了较好的计算加速比。     

OilCL:一个面向油藏数值模拟并行计算的通信库

ＯｉｌＣＬ是一个用于油藏数值模拟计算的可移植的通信库,虽然目前存在很多的通信库,如ＭＰＩ,ＰＶＭ等,但由于它们的通用性,而且其界面较低级而不适合油藏模拟数值计算,ＯｉｌＣＬ为油藏数值模拟计算程序员提供一个方便、自然的界面,它支持动态地建立和释放通信上下文／逻辑进程网格;支持基于源的消息选择;逻辑拓扑作为群通信子程序的参数并提供开发和运行模式,这些机制便于油藏数值模拟计算程序的设计,使程序可读性更强     

非结构网格上弹性力学数值模拟的并行实现

弹性力学数值模拟被广泛应用到建筑、机械、化工、材料、航天等工程领域.随着计算规模和精度的不断提高,普通串行程序已经不能满足应用的需求,需要研制并行应用程序.面向非结构网格,提出了一种基于层次化网格数据结构的并行有限元算法,并用来求解弹性力学方程组.最后,用数值结果验证了网格数据结构和并行算法的正确性和扩展性.数值结果显示弹性力学并行程序可成功扩展到4 080进程,网格规模达到15亿单元.     

Parallel Unstructured Dynamic Grid Direct Monte Carlo Simulation of Molecular Gas Dynamics and Its Applications

A new parallel dynamic unstructured grid DSMC method is presented in this paper. The code developed has been applied to the simulation of thin film deposition over microstructures. Surface deformation in such cases poses a challenge for accurate evaluation of gas flow due to the fact that the deposited film thickness is comparable to the feature size. In this study a method is developed to move the mesh at run time. Since in parallel simulation each partition moves independently of the others, a parallel version of moving mesh is proposed to synchronize the displacement of the neighboring partitions, so that there is a smooth transition from one partition to another. An efficient tool for tracking particles during simulation is also presented. Furthermore, the influence of parameters, such as sticking coefficient and aspect ratio on step coverage for a 1m wide trench by sputter deposition was studied. The results showed that the step coverage deteriorated with increasing sticking coefficient and aspect ratio.     

激光推进数值模拟预处理并行算法研究*

激光推进数值模拟预处理程序为数值模拟主程序提供网格信息和设置边界条件,实现并行计算可以缩短大规模网格生成时间,从而提升高分辨率数值模拟的效率。分析并利用公用数据的特点改进原有串行算法,进而实现并行计算。算法测试结果表明,该并行算法有效地缩短了网格生成时间。     

The Use of MC# Language for Implementation of Parallel Algorithms in 3D Simulation

Parallelizm of the real-time visualization of 3D objects is considered in the paper. A 3D space model and its implementation using parallel programming are proposed.     

基于结构网格的大规模并行计算研究

通过求解RANS方程和Menter's k-Omega SST两方程湍流模型,以及采用多重网格加速收敛技术、基于多块结构网格的通用数据传输方法和区域分解负载平衡技术,实现CFD软件的并行计算。在国家超算长沙中心的"天河"系统上完成了软件的移植、测试,并实现翼身组合体外形的2048处理器核数、网格规模上亿单元的大规模并行计算,并行效率达到48%,较大幅度地缩短了计算周期,提高了工作效率。通过对DLR-F6的模拟,在气动力系数精确求解、超大规模网格模拟的快速收敛和网格收敛性研究等方面取得了初步结果,为下一步大规模工程实际应用打下了坚实基础。     

基于多层油藏问题负载均衡的并行任务划分

该文基于分布式并行计算机系统,对一类多层二维二相流油藏数值模拟问题给出了3种任务划分策略—“卷帘”方式、区域分解方式和“卷帘”与区域分解结合的方式,对它们进行了比较,提出了减少求解时间、利于负载均衡和提高并行性能的任务划分方法,并实际应用于有多达72万个网格节点的大规模油藏模拟问题.实算结果表明,该策略划分产生的并行求解任务均衡,有利于加速比的提高.该方法也适用于区域或数据并行的任务划分问题.     

基于非结构滑移网格技术的旋翼型无人机空气动力学并行数值模拟方法

在现代飞行器设计中,数值模拟方法以低成本、高效率和高灵活性等优点成为研究飞行器空气动力学的重要方法.在旋翼型无人机流场模拟中,由于旋翼与机身存在相互作用,为获得精确模拟结果需要对整个无人机的流场进行模拟,因此,有效地模拟旋翼与机身的相对运动是实现成功模拟的关键步骤,这使得此类模拟问题极具挑战性.文章设计了一套求解旋翼型无人机空气动力学数值模拟问题的基于非结构滑移网格技术的高可扩展并行计算方法.该方法对控制方程的离散,在空间方向采用非结构移动网格有限元方法,时间推进采用全隐式二阶向后差分格式,最后采用一种并行Newton-Krylov-Schwarz方法求解离散后的非线性方程组.作为应用,文章对一个真实旋翼型无人机模型在悬停状态下的外流场进行了数值模拟,获得了一些非常详细的流场信息.数值结果显示,算法在天河2号上使用4 096个处理器核时仍具有接近线性的并行加速比,这为下一步开展旋翼型无人机的高保真度快速模拟奠定了良好的基础.     

基于MPI的电网仿真实时并行计算平台

在电力系统动态电磁暂态仿真的并行计算中,存在超实时和硬实时的问题。为此,提出一种基于MPI的实时并行计算平台。引入硬实时操作系统RTLinux,采用实时内核和PSDD编程模式对仿真并行计算程序、MPICH并行环境和GM软件等进行重构,以获得硬实时特性。测试结果证明,该平台的平均时间性能提高约10%,时间的最大抖动幅度降低50%~80%,并减少了时间的抖动频率。