基于MPI的三维枝晶生长相场法的并行计算

充分利用MPI(message passing interface)在并行环境下远高于单CPU的强大计算能力,探索基于MPI的并行系统结构,求解三维枝晶生长的高性能计算方法.通过多进程的并发执行,实现三维相场方程求解的并行计算,探讨MPI中点对点通信与集合通信在并行计算时数据传输的效率,讨论热噪声幅值Fu=0与Fu=10-3时三维枝晶生长过程.计算结果表明:基于MPI的并行算法可使模拟尺度达到1 000×1 000×1 000网格,大大提高可模拟尺度;采用集合通信模式比点对点通信模式具有更高的并行效率,更加适合大规模并行计算环境.     

基于MPI二元合金三维枝晶生长相场法的并行研究

在对Ni-Cu二元合金进行三维模拟时采用了目前最有效的微观组织数值模拟方法—相场法.但是随着空间维数的增多,计算规模小、计算时间长、计算效率低成为突出的问题.为了解决以上问题,探讨基于MPI并行算法求解Ni-Cu二元合金自由生长的三维相场模型,分别采用MPI中点对点通信和组通信对串行程序进行并行设计,并对2种通信模式的加速比进行比较.同时采用不同的划分方法对并行程序中计算域进行划分并比较并行效率.结果表明:MPI并行方法可以使计算规模扩大到1 000个×1 000个×500个网格;在规模相同的情况下,组通信的加速比相对串行程序最高可以达到15.45倍,要高于点对点通信的10.06倍最高加速比;无论计算规模大小,点对点通信均适用,组通信由于数据缓存区的限制,不适用于计算规模较大的情况;面向行划分方式的计算效率和安全性均高于面向块划分方式.     

基于自适应有限元法的纯物质三维枝晶生长模拟

基于高性能计算特性的自适应有限元方法,较大尺度地求解三维相场模型,定量模拟纯物质三维枝晶的凝固过程,研究过冷度、各向异性系数等相场参数对三维枝晶的影响.结果表明:过冷度和各向异性系数越大,三维枝晶生长速度越大,侧向分枝越发达,二次枝晶间距越小,并得到与结晶理论相一致的枝晶生长规律.此外,在CPU耗费时间上自适应有限元方法比均匀网格方法降低一个数量级,并且当系统尺寸越大时越能体现出自适应有限元方法的优越性,为大尺度多场耦合相场模型的模拟提供便利.     

纯物质过冷熔体中自由枝晶生长相场模型的自适应有限元法模拟

基于自适应有限元方法,通过求解表征纯物质相场模型的非线性抛物型方程,研究镍过冷熔体中不同起伏情况下单个完整等轴枝晶的演化过程.模拟结果表明:采用自适应有限元方法求解相场模型时结果更接近真实物理模型,在计算终止时整个计算域节点数仅为2.79×105个,远小于采用相同网格间距普通方法的1.6×106个,较大不同计算域对枝晶尖端速度的平衡值影响不大;随着起伏强度的增大,枝晶尖端获得更高的温度梯度,等温线波动更大,一次枝晶臂表面失稳,二次枝晶臂向过冷溶液中凸起的趋势越强,二次枝晶臂越发达.     

强迫对流影响枝晶生长的三维相场法模拟

将计算流体的三维模型与模拟枝晶生长的三维相场模型进行耦合,建立强迫对流环境下枝晶等温生长的三维PF-LBM模型,以Al-Cu合金为例研究液态金属流动时枝晶的生长行为、不同流速下枝晶的生长行为并在相同模拟参数条件下将三维模拟与二维模拟进行对比.结果表明:液态金属的流动显著改变了三维枝晶原有的对称生长形貌.不同流速下枝晶的生长形貌和溶质场分布不同,流动速度越大,迎流方向主枝晶越粗,逆流方向主枝晶越细.流动速度对尖端曲率半径的影响大于对尖端生长速度的影响,大的流动速度对逆流方向枝晶的影响比对迎流方向枝晶影响严重.三维模拟中液态金属的流动状况比二维模拟中复杂;相同模拟参数下三维模拟中液态金属的流动对枝晶生长的影响比二维模拟中影响大.     

强制对流作用下溶质枝晶生长的CA-LBM模拟

应用一个二维的元胞自动机(cellular automata, CA)-格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM) 耦合模型,对合金等温凝固过程中溶质枝晶在强制对流作用下的生长规律进行了模拟研究.该耦合模型采用CA方法模拟枝晶生长,同时采用基于分子动理论的LBM模拟枝晶生长过程中的流场和浓度场.应用该模型模拟分析了过冷度和成分等因素对Al-Cu合金在纯扩散和对流作用下单枝晶的生长规律的影响.结果表明,在纯扩散条件下,模拟的枝晶稳态生长尖端速度、半径、Peclet数和过冷度的关系与Lipton-Glicksman-Kurz (LGK)模型的预测结果吻合良好.对流作用下枝晶的生长形貌呈现出了不对称性,枝晶的生长在上游方向得到促进,而在下游方向受到抑制.合金成分和初始过冷度等因素会对枝晶形貌和生长动力学产生影响.     

钛合金片层组织生长相场的大规模并行模拟

采用大规模并行计算进行钛合金中片层组织生长相场模型的数值模拟.针对Allen-Cahn和Cahn-Hilliard等相场模拟方程,在均匀网格上采用时域有限差分显式时间步进和算子分裂的数值算法.基于消息传递接口(MPI)实现三维区域分解和计算与通信重叠的并行算法.在深腾7000上通过测试,显示程序具有良好的可扩展性.在1 0243计算网格上使用4 096核的并行效率达到94.2%,每个时间步耗时约0.2s.     

基于自适应有限元枝晶自由生长相场模型模拟

利用相场模型模拟了过冷熔体中单个完整等轴枝晶在凝固过程中的生长和形貌演化,采用自适应有限元方法求解相场模型的控制方程,研究了在计算域较大、界面层厚度较薄的情况下各向异性和过冷度等物理参数对枝晶形状和生长的影响.结果表明:过冷度越大,枝晶间竞争越激烈,生长速度越慢;各向异性系数越大,枝晶沿选定方向生长的趋势越强,生长速度越快,二次枝晶间距越小,侧向分枝越发达. 与有限差分方法(FDM)相比,采用自适应有限元法(AFM)在CPU计算时间和存储空间均降低了一个数量级,并且系统尺寸越大,自适应有限元法优势越明显,便于更大尺度多场耦合相场模型的数值模拟.通过比较均匀网格法和以往的晶体生长数值模拟实验,证明了自适应有限元法的准确性、高效性和鲁棒性.     

多元合金多晶粒枝晶生长的相场模型

基于多元合金多晶粒生长的等温相场模型,耦合温度场,提出一个新的相场模型.利用这个模型,以Al-Cu-Mg三元合金为例模拟多元合金凝固过程中多个晶粒的枝晶生长过程.结果表明,这个模型的计算结果展现了多个晶粒枝晶的竞争生长;在模拟中可以展现合金凝固中潜热的释放;能较真实地再现凝固过程中的枝晶生长过程.     

飞行器操纵面嗡鸣的非结构网格并行计算方法

为了数值模拟飞行器操纵面的嗡鸣现象,在集群计算机MPI并行计算环境下建立基于三维非定常欧拉方程耦合结构运动方程的嗡鸣计算方法.气动流场求解采用基于非结构网格的中心有限体积法进行空间离散,时间推进采用双时间方法,结构运动方程采用Adams预估校正方法求解.针对翼面与操纵面缝隙间存在的网格运动问题,在非结构网格系统上采用Delaunay图映射方法实现网格的运动变形.最后,使用飞行器操纵面标准嗡鸣计算模型对计算方法进行验证,结果表明:所建立的并行计算方法正确,程序具有很好的计算效率,能够对飞行器操纵面嗡鸣进行高效的数值分析.     

基于Cluster的大型油藏数值模拟的并行计算

大规模整体油田的精细油藏数值模拟需要并行处理。该文基于Cluster并行系统,将三维三相油藏压力计算,转化为以油层为并行计算粒度、通过井筒压力耦合全油藏压力的多层二维二相的压力计算,用网格节点排序方法和预处理算法等缩短计算时间,实现了100.2万网格点的实际大规模油藏数值模拟问题,在17个处理机并行计算时,加速比达6.75。结果表明,该并行计算具有较好的效果,该并行软件正在胜利油田得到应用。     

MPI+OpenMP环境下的二元合金三维相场模型的并行方法

针对二元合金三维相场模型模拟研究中存在的计算区域小、计算效率低,难以满足二元合金大规模模拟的需求,提出基于MPI+OpenMP混合编程模式的并行方法.在相同计算规模下对MPI和OpenMP并行技术的优缺点进行分析.在计算机集群环境下对MPI+OpenMP混合编程模式和纯MPI并行方法的并行效率进行对比和分析.结果证明:基于MPI+OpenMP混合编程模式可以有效地扩大二元合金三维相场模型的计算规模;在多核集群环境下,相对于纯MPI并行方法,MPI+OpenMP混合编程可以更加有效地利用多核集群的多层次结构,取得更高的加速比和计算效率.     

枝晶生长的介观尺度三维数值模拟

为预测合金介观组织的形成与演变,提出了改进的三维元胞自动机(CA)模型。该模型采用枝晶形状函数,简化描述介观区域的枝晶生长轮廓;利用基于Euler角的空间坐标转换,描述随机晶向的多晶粒生长;采用Hash表加速算法,耦合了溶质场计算,采用数值算法处理固液界面的溶质再分配。该模型可模拟大范围随机取向的多晶粒生长过程,并具有较高的计算效率。模拟结果表明:不同模拟区域和网格剖分尺寸对晶粒体积的分布规律没有明显影响;较快冷却速度下,存在溶质富集和枝晶偏析。对Al4Cu合金的砂型和金属型试样的显微组织分别进行模拟,结果与实验符合较好。     

过冷纯物质凝固的相场法的自适应有限元模拟

采用自适应有限元法求解了过冷纯物质凝固相场模型. 以Zienkiewicz方法进行误差估计，以四分树作为自适应网格数据结构，采用网格细分法生成并动态调整自适应网格. 同时采用高阶插值方法精确计算了枝晶生长速度V_tip和枝晶尖端半径ρ_tip. 结果表明，采用自适应网格可将计算时间和存储空间降低一阶. 在枝晶生长初期的瞬态过程中，枝晶尖端生长速度比尖端半径更快达到稳态值.     

枝晶生长的介观尺度三维数值模拟

为预测合金介观组织的形成与演变,提出了改进的三维元胞自动机(CA)模型。该模型采用枝晶形状函数,简化描述介观区域的枝晶生长轮廓;利用基于Eu ler角的空间坐标转换,描述随机晶向的多晶粒生长;采用H ash表加速算法,耦合了溶质场计算,采用数值算法处理固液界面的溶质再分配。该模型可模拟大范围随机取向的多晶粒生长过程,并具有较高的计算效率。结果表明:不同模拟区域和网格剖分尺寸对晶粒体积的分布规律没有明显影响;较快冷却速度下,存在溶质富集和枝晶偏析。对A l4Cu合金的砂型和金属型试样的显微组织分别进行模拟,结果与实验符合较好。     

基于OpenCL并行的挡板对珠光体生长的相场法模拟

建立了耦合相场和溶质场的KKSO模型,采用OpenCL并行计算模拟了Fe-C合金共析生长过程,研究了不同形状和不同位置的挡板对层片状珠光体协同生长的影响.结果表明:GPU计算效率相对于串行CPU,最高可达88倍的加速比,并且随着模拟规模的增大,GPU的加速性能越高;挡板的存在直接影响珠光体的形貌演化,其使挡板下方的珠光...     

过冷熔体枝晶生长的相场法数值模拟

利用相场法模拟纯物质过冷熔体中的枝晶生长过程,研究各向异性强度、过冷度、扰动等对枝晶生长的影响.结果表明,扰动会促发侧向分枝的形成,但不影响枝晶尖端的稳态生长行为;随着各向异性强度的增大,枝晶尖端生长速度加快,枝晶结构特征愈加明显;过冷度的增加,枝晶尖端稳定性遭到破坏,甚至出现分叉.讨论网格步长对模拟结果的影响,指出在兼顾精度与效率的同时应优先选取粗网格.     

纯无网格并行计算在传热方程数值模拟中的应用

考虑纯无网格并行计算在传热方程数值模拟中的应用. 首先将Taylor展开式保留到三阶导数, 拓展应用纯无网格有限点集法(FPM), 对三维热传导方程进行求解以提高数值精度； 其次引入MPI并行计算技术, 通过循环语句的并行, 采用多个CPU计算以提高计算效率, 得到一种针对三维热传导问题模拟的可靠、 高效性纯网格并行FPM算法. 在数值算例中, 先对不同区域上带不同边值条件的传热问题进行求解, 并与解析解对比, 分析给出算法的计算效率和误差； 然后用给出的并行算法对功能梯度材料中温度随时间演化过程进行模拟预测, 并与其他数值结果做比较, 以验证数值预测的可靠性.     

纯无网格并行计算在传热方程数值模拟中的应用

考虑纯无网格并行计算在传热方程数值模拟中的应用. 首先将Taylor展开式保留到三阶导数, 拓展应用纯无网格有限点集法(FPM), 对三维热传导方程进行求解以提高数值精度; 其次引入MPI并行计算技术, 通过循环语句的并行, 采用多个CPU计算以提高计算效率, 得到一种针对三维热传导问题模拟的可靠、 高效性纯网格并行FPM算法. 在数值算例中, 先对不同区域上带不同边值条件的传热问题进行求解, 并与解析解对比, 分析给出算法的计算效率和误差; 然后用给出的并行算法对功能梯度材料中温度随时间演化过程进行模拟预测, 并与其他数值结果做比较, 以验证数值预测的可靠性.     

基于多GPU加速的各向异性弹性波正演模拟

比较分析了在不同网格大小介质模型情况下,分别采用串行计算、CPU 16个线程并行计算和4块GPU并行计算进行各向异性弹性波动方程正演模拟的执行时间差异。发现在网格点为2563的大模型上,用4块GPU的并行模拟计算相对16线程并行计算与串行计算的加速分别为30倍与156倍。表明多GPU并行算法可以显著缩短数值模拟时间,而且模型网格越大,加速效果越显著。因此,在单机环境下进行大尺度模型的各向异性弹性波正演模拟,采用多GPU并行计算方式是一个合适的加速选择。