并行多块结构重叠网格装配算法及应用

针对多块结构重叠网格并行装配的问题,设计了支持初始网格系统细分的多块结构重叠网格框架,并在此框架基础上提出了基于局部洞映射的并行挖洞算法、格心网格下可跨块寻点的并行搜索算法,使之可适应大规模并行数值模拟时的分布式计算环境。此算法被模块化的集成到了自主研发的大规模多块结构网格数值求解器（CCFD-MGMB）中,可支持大规模并行非定常多体分离数值模拟。并行测试结果表明,本文发展的算法具有良好的局部数据结构组织,数据可扩展性强。数值应用模拟结果表明了该算法的有效性及正确性,千核并行非定常数值计算效率（相对于64核）可达58%。     

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.     

基于非结构网格的飞行器多体分离数值模拟

针对基于非结构网格方法的飞行器多体分离数值模拟中的局部网格重构问题,提出了一种基于单元相邻关系的重构区域构造方法。首先,根据单元半径比检查网格质量并标记重构单元;其次,通过网格单元的相邻关系对重构区域进行扩展;最后,通过标记非二边流形边的周围单元保证重构区域边界定义满足二边流形准则。基于该方法的某分离物投放数值实验中,成功进行了16次网格局部重构操作,重构后总体网格单元半径比的平均值达到0.71以上。计算结果和风洞实验数据的比较分析表明,数值实验精确地计算出分离物的运动轨迹和运动姿态,验证了非结构动网格重构过程的有效性。     

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．     

基于重叠网格的翼型动态失速数值模拟

由于动态失速的相关特性及网格变形方法的限制性,采用重叠网格方法及广泛应用在分离流动问题中的SST k-ω湍流模型对NACA0012翼型开展了非定常动态失速的数值模拟研究,得到了动态运动过程中的气动力系数及翼型周围的流线图。研究结果表明采用的计算网格及方法不仅可以有效模拟翼型小幅振荡的动态特性,对大迎角俯仰运动的计算也具有良好的效果。同时能够精确的模拟出俯仰振荡过程中的气动力迟滞效应及大迎角动态失速时翼型前缘涡产生、脱落到再附的运动过程。     

基于结构网格的增升构型失速特性大规模并行数值模拟

针对民机增升构型失速特性的数值模拟,我们基于贪婪负载平衡算法的剖分工具对多块结构网格进行区域分割,在某新型超级计算机系统上完成求解软件的移植、优化和测试,采用 2 亿量级的计算网格开展大规模并行计算研究,测试完成了万核级负载平衡的网格区域分割,实现了增升构型失速特性的 4 096 核数并行计算,并行效率达到 50% 以上,提高了工程应用中对复杂流动现象的数值模拟能力。数值模拟结果加深了对增升构型失速流动机理的理解,可以为增升装置设计优化提供有意义的参考依据。     

地球科学大规模并行应用的重叠存储优化

存储是地球科学类软件的重要组成部分,周期性输出中间态和检查点会带来大量的访存操作,不恰当的访存设计会严重影响软件在大规模计算时的性能表现.针对地球科学类软件的存储问题,从软件层面提出一个重叠存储优化方法,通过设置额外的I/O进程隐藏输出过程.该重叠存储优化主要有3个优势：1)将输出和计算操作重叠在一起,实现了输出的重叠化和隐藏化;2)抑制了收集通信的开销,突破了收集操作的通信带宽瓶颈和内存限制;3)能容易地使用各种高级并行输出库函数.利用重叠存储优化了天河二号上的WRF,ROMS_AGRIF,GRAPES,并完成了性能测试.结果表明：经过存储优化后,程序的峰值性能都获得了显著的提升.还讨论了在固定总进程数下,计算进程和I/O进程数的最佳比例是多少.优化后的程序与原版相比,模式专家只需要在配置文件额外设置2个新变量即可使用,十分易于学习.     

重叠网格预处理技术研究

论文主要讨论重叠网格预处理方法,并提出迷路算法应用于“挖洞”过程,为重叠网格预处理提供了高效、可靠的“挖洞”方法,算法复杂度低,实现简单,健壮性好;在多层次嵌套重叠方面,引入了重叠网格主从关系图有效解决多层次嵌套重叠带来的问题;在提高找重效率方面,建立基于网格的kd树加快了找重过程。实验结果表明在大网格量、复杂重叠区域时该重叠网格预处理技术仍能得到较理想的效率。     

大规模并行计算机系统并行性能模拟技术研究

性能模拟技术是计算机系统性能评价的重要手段.介绍了面向大规模并行计算机系统以及消息传递应用程序的并行性能模拟技术,总结了相关的关键技术和国内外研究现状.对几个代表性的并行模拟器系统进行了详细介绍.结合并行计算机系统和应用的发展趋势,讨论了未来并行模拟器设计、实现面临的问题和可能的解决方案.     

计算与通信重叠和并行I/O在粒子模拟中的应用

三维电磁场粒子模拟是研究空间众多微观物理现象的一项先进数值模拟方法。虽然应用MPI和OpenMP混合编程技术实现了程序并行,但阻塞通信的通信同步和应用网络文件系统集中式数据I/O的数据传输降低了程序效率。介绍引入非阻塞通信法,最初计算需要通信部分,在其他计算继续时,进行非阻塞通信,最后接收全部数据,从而实现计算和通信重叠,减少通信等待时间;在分布式存储系统中,各节点同时把本节点数据输入输出到本地单独文件中,大幅度减少数据并行I/O时间,随着数据量和CPU数的增加,改善更加明显,从而提高程序性能。     

A Parallel Overset Grid High-Order Flow Solver for Large Eddy Simulation

This work describes the development and validation of a parallel high-order compact finite difference Navier–Stokes solver for application to large-eddy simulation (LES) and direct numerical simulation. The implicit solver can employ up to sixth-order spatial formulations and tenth-order filtering. The parallelization of the solver is founded on the overset grid technique. LES were then performed for turbulent channel flow with Reynolds numbers ranging from Re _τ=180 to 590, and flow past a circular cylinder with a transitional wake at Re _D =3900. The channel flow solutions were obtained using both an implicit LES (ILES) approach and a dynamic sub-grid scale model. The ILES method obtained virtually identical solutions at half the computational cost. The original vector and new parallel solvers produce indistinguishable mean flow solutions for the circular cylinder. Repeating the cylinder simulation on a much finer mesh resulted in significantly better agreement with experimental data in the near wake than the coarse grid solution and other previous numerical studies.     

CFD并行计算中的多区结构网格二次剖分方法与实现

在多区结构网格计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)并行模拟中,为了与并行计算资源相适应,经常需要对原始流场网格进行二次剖分与区块分组.在对区块分组和网格二次剖分进行了总结综述的基础上,重点提出针对多区结构网格二次剖分的两种策略:几何剖分和嵌套二分.基于这两种策略完成了剖分软件工具TH-MeshSplit,可实现初级方式、专业方式和专家方式3种运行方式,为用户在自动化与灵活性方面提供了多样化选择.数值实验结果表明,两种剖分策略及其实现软件可在较短时间内完成复杂的剖分,剖分后的网格在负载平衡性、计算通信比等方面具有更优的性能,从而为后续CFD流场的高效并行加速求解奠定了基础.     

基于多块结构网格大规模并行计算的负载均衡设计及实现

结构网格具有网格生成速度快、质量高、数据结构相对简单、较适用于流体表面应力集中的运算等优点。在大规模 CFD（Computational Fluid Dynamics）并行计算中,需要将网格区域划分为多块网格,而多块网格之间的数据通信会制约并行计算能力的提高,因此对结构网格的负载平衡优化是提高并行计算能力的重点。本文提出了一个采用多层次 k-way 多约束条件图剖分算法来改进负载平衡的方案,并对 M6 翼型和 CRM 模型的多种规模进行了实际计算,结果证明多层次 k-way图剖分算法能够有效地优化负载平衡,在此基础上得到了最优节点间的计算负载平衡和通信负载平衡,最终达到了理想的并行效率。     

大规模并行 CFD 软件的负载平衡设计

基于多区结构网格的计算流体力学方法,在并行处理的难点是多个网格数据块在计算资源上的高效合理分配,以实现大规模并行环境下的负载平衡。本文围绕负载平衡问题,介绍了 CCFD 软件开展的一些工作,包括：1. 面向结构网格的双层图剖分策略,通过细层图剖分环节考虑计算量和通信量的负载平衡;2. 建立可细分的重叠网格体系,并基于该体系建立了重叠网格系统的双级负载平衡模型。算例验证表明,所采用的负载平衡策略在大规模并行环境下能获得较高并行效率。     

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。     

基于网格的并行算法研究

分析了传统分布式并行计算和网格基础上并行计算技术应用中存在的问题。然后将LogP并行计算模型拓展到网格上,给出双层LogP模型和设计策略。针对网格特点对CG并行算法进行了改进,并有很好的效果。     

网格环境下分布式并行数据挖掘研究

随着信息技术的持续发展和广泛使用,大量的数据不断被收集和存储,对分布的目标数据进行数据挖掘处理任务的规模越来越大,而传统的数据挖掘无法解决分布式海量数据挖掘的问题,分布式系统很难解决异构的操作系统和协议问题.网格技术的发展成熟,使得利用网格环境下强大的资源共享异构虚拟组织实现协同并行数据挖掘成为网格技术应用的一个研究重点.本文提出基于网格环境的Agent技术、多线程和集中表决技术的关联规则并行挖掘方案,并在GT4下实验验证,实现对大规模数据的网格环境分布式并行数据挖掘.     

基于网格技术的并行搜索引擎

研究现有网格技术和搜索技术,分析并行搜索引擎的优点和不足,提出基于网格技术的并行搜索引擎解决方案,其中包含一个3层结构的应用框架和一个并行搜索引擎的应用方案。根据该方案实现并部署一个基于网格的并行搜索引擎——MSE1．0,获得了较好的检索结果。     

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.