基于MPI+OpenMP混合编程模式的大规模颗粒两相流LBM并行模拟

针对大规模三维颗粒两相流全尺度模拟并行计算问题,该文采用MPI+OpenMP混合编程模式,其中机群节点采用MPI并行计算,节点内部采用OpenMP进行细粒化的并行计算,并根据格子Boltzmann方法(LBM)颗粒两相流的特点进行OpenMP程序并行优化设计,提出了一种适用于大量颗粒的三维颗粒两相流LBM并行计算模型。以颗粒沉积问题为例,在集群计算机平台对并行算法的加速性能进行测试。计算结果表明:该算法具有良好的加速比及扩展性,并且其计算量具有颗粒数量不敏感的优点,适用于大规模多颗粒两相流问题的研究。     

基于多重网格的大长径比颗粒仿真计算

针对大长径比颗粒(即长径比差异较大颗粒), 采用单重网格法进行邻居搜索时存在因网格尺寸较大, 导致接触计算复杂度较大的问题, 提出一种基于多重网格的新方法. 该方法先将大长径比颗粒（如长秸秆颗粒）虚拟离散为长径比较小的颗粒, 再将离散后的颗粒与其他颗粒一起混合, 采用多重网格法进行邻居搜索. 实验结果表明, 该方法减小了邻居搜索网格尺寸和邻居元颗粒的数量, 从而缩短了接触计算时间, 提高了计算效率.     

万核级可扩展CFD软件及应用

介绍了超级计算机在国民生产中的作用和意义,重点展示了自主研发的可扩展大规模计算流体力学软件(CCFD)的结构及其在直接数值模拟(DNS)复杂流动问题中的应用.分析了CCFD核心计算模块CCFD-Hoam在不同构架的超级计算机中的并行加速比,结果表明在万核级并行计算规模下,CCFD-Hoam的并行效率仍可以达到80％以上,具有较强的并行加速能力.利用CCFD-Hoam,在万核级并行计算规模下,首次对RAE2822翼型绕流和强冷却壁面条件且马赫数等于8的平板绕流做了高精度DNS计算,并给出精细的湍流场结构,结果表明CCFD-Hoam适用于近翼面复杂流场的高分辨DNS计算.     

无网格数值模拟的并行算法研究

对无网格数值模拟的并行算法进行了详细研究.包括使用并行桶搜索算法进行节点搜索,使用并行几何搜索算法进行样点搜索,并行计算无网格形函数及其导数,边界条件的并行处理,使用并行预处理共轭梯度法求解方程组以及负载平衡等.最后给出了无网格数值模拟并行计算的实施流程和计算实例.计算结果表明,无网格数值模拟具有很高的并行性和很好的并行效率,计算规模越大,并行效率越高.     

基于深腾7000系统的大规模CFD并行计算

从基本流动控制方程及数值离散、多重网格、并行算法等方面详细阐述了混合网格框架下计算流体力学软件的基本原理,提出了采用三重嵌套循环结构在时间推进格式中实现多重网格加速及并行计算技术的主流程设计方案;同时给出了高精度混合网格并行计算软件在深腾7000系统上的大规模并行测试结果以及在某型民用飞机高升力流场数值模拟中的应用.结果表明:此高精度混合网格并行计算软件在采用千万网格点规模的大型飞机高升力复杂流场计算时,不仅计算结果与实验结果符合较好,且在2 048核并行计算时仍具有很好的并行可扩展性,计算效率不低于80%.     

拱坝-地基系统的三维有限元并行计算

拱坝稳定和破坏过程的三维有限元分析,对高性能并行计算提出了很高的要求.采用节点联系矩阵的概念,基于Jacobi预处理共轭梯度法,推导了适用于分布存储并行机的有限元并行element-by-element(EBE)方法,可以避免形成整体刚度矩阵,显著减少内存需求,并可自动实现计算任务的分配.编制了有限元并行计算程序,采用悬臂梁算例对其进行了验证,然后应用于二滩拱坝的有限元数值分析.计算结果表明,对拱坝-地基系统这样复杂的三维结构,有限元EBE方法是一种很有效的并行计算方法.     

基于并行改进遗传算法的拱坝位移反分析

引入小生境技术和自适应杂交变异概率方法,基于并行有限元程序,给出了适合推求拱坝和地质力学参数的位移反分析并行遗传算法,并编制了相应的程序,利用地质力学模型试验数据,对溪洛渡拱坝进行了位移反分析,得到了和试验相一致的坝体混凝土和地基岩体的力学参数。结果表明,该算法可以有效解决简单遗传算法的早熟收敛问题,收敛效率得到明显提高。当采用16个CPU进行并行计算时,可以达到42%的计算效率,表明该算法适用于拱坝这样复杂的三维结构的位移反分析,可以大大减少拱坝位移反分析的时间。     

显式有限元侵蚀接触搜索算法研究

侵蚀接触是弹体穿甲/侵彻等冲击动力学问题数值模拟与显式有限元程序的核心算法.文中基于接触界面的点-面离散模型,发展了一种有效、精确的侵蚀接触搜索算法.新算法通过引入历史状态量跟踪从点对主片的穿透历史,并结合接触强度方法,克服从点对主片穿透定义的歧义性,精确确定出从点-主片接触对及其相应的接触方向;对于接触点计算,建立了一种非迭代的计算方法,提高了接触计算的稳定性.文中算法基于自主研发的大型并行显式有限元程序PANDA-Impact实现,并利用典型算例进行了验证.数值模拟结果表明,文中建立的侵蚀接触搜索算法可以用于复杂问题模拟并具有较高的计算精度.      

滑动轴承混合润滑多线程并行计算数值方法

针对混合润滑数值分析将动压效应、弹性变形和界面接触特性耦合而非常耗时的问题,基于共享内存并行系统的多线程程序设计语言OpenMP,提出一种多线程混合润滑并行计算数值方法——红黑线交叉并行计算法.该并行计算模型是将雷诺方程求解域分成两个相互独立的子求解域,依次对两个子求解域进行并行数值求解,可以有效克服CPU线程间数据争用问题,加快求解速度.着重研究了并行计算核数、网格数量和工作站配置对并行计算性能的影响,分析结果表明:并行计算模型能够有效提高滑动轴承混合润滑计算速度,并行计算速度的提升幅度与并行计算核数成非线性关系,随着CPU核数的增加计算速度的增加幅度逐渐减小;此外,与内存和缓存相比,CPU的主频对并行计算速度有非常大的影响.     

并行环境下基于图着色理论的空间数据部署

在面向计算部署到数据节点端执行的分布式并行环境下,提出一种基于图着色理论的适用于矢量空间数据的部署方法,将空间数据粒度的部署问题转化为图顶点着色的过程,提高了任意空间区域的信息查询效率.给出基于图着色理论的数据部署方法,并通过节点的任务量进一步改进算法,使得该算法可实现海量空间数据粒度的离散化部署,提高了空间数据检索和查询的并行化程度,充分利用了并行计算资源.     

MPI环境下FDTD高效率网络并行计算研究

FDTD(FiniteDifferenceTimeDomain)计算复杂电磁场问题存在计算时间长和内存耗用大的难题,并行计算可以减少单机处理量,是解决该难题的有效途径.本文针对网络并行系统特点结合FDTD算法,提出了有效的优化步骤,采用MPI并行函数库实现高效率FDTD并行计算.在一套16台微机组成的网络并行计算机系统上完成了三维FDTD并行计算举例.计算结果证明了该方案的正确性,并且得到了较高的并行效率.     

定常不可压Navier-Stokes方程的并行有限元算法

Navier-Stokes(N-S)方程组是描述流体运动的基本方程组,其数值模拟对我国的国防建设与工业设计非常重要。在高性能并行机和并行计算技术飞速发展的今天,其并行数值计算方法的研究是当前计算流体力学领域最前沿的热门课题之一。基于局部与并行有限元离散技巧和区域分解方法,给出了数值求解定常不可压N-S方程的若干高效并行算法,这些算法实现简单,稍加修改现有的串行程序即可实现并行计算,通信需求少,能快速有效地模拟复杂的流体流动行为。我们给出了一些理论结果和数值算例,验证这些算法的有效性。     

基于水平集接触算法的任意形态颗粒材料球谐离散元方法

为对自然环境或工业领域中非规则颗粒材料的力学特性进行精确计算,本文采用球谐函数发展了可描述任意几何颗粒形态的球谐离散元方法.考虑球谐单元的凹凸形态及多点接触特性,发展了基于水平集方法的任意形态接触算法,以准确计算单元间的接触方向和重叠量.该算法将不同形态的球谐单元离散为由一系列点组成的零水平集函数和空间离散水平集函数,并将单元间的接触问题转化为两个水平集函数间的求解问题.通过将一系列零水平集点代入邻居单元的空间离散水平集函数中进行三线性插值,可确定两个接触单元间的多接触点及作用力.为检验基于水平集算法的球谐离散元方法的可靠性,对单颗粒与刚性壁面的弹性碰撞、单颗粒自由下落和多颗粒动力堆积过程进行了离散元模拟,研究了颗粒的平动和转动动能随时间的变化规律.计算结果表明,基于水平集算法的球谐离散元方法可准确地计算单元间的接触碰撞作用,并可保证弹性碰撞时颗粒系统的能量守恒及非弹性碰撞时颗粒系统的能量衰减直至动能为零.在此基础之上进一步分析了不同表面凹凸特性对颗粒堆积中体积分数和平均配位数的影响,为任意形态颗粒材料的数值模拟提供了一种有效的离散元方法.     

基于OpenMP的湍流场中颗粒碰撞聚合的并行数值模拟

为了快速求解10000个粒子的湍流碰撞聚合问题,采用OpenMP对Smoluchowski方程的FORTRAN求解程序进行了并行处理.数值结果表明:在不改变串行程序结构的情况下,仅对循环体部分进行并行处理,并行效率可高达80%,且串行程序与并行程序的计算结果完全吻合.对于大计算量循环体的并行计算,采用全部处理器进行并行计算时耗时最小.但是对于小计算量循环体的并行计算,采用全部处理器进行并行计算时耗时不一定最小.     

基于GPGPU的并行LiDAR点云滤波算法

基于边缘点进行LiDAR点云滤波算法在复杂城区具有良好效果,然而在边缘点检测时非常耗时,因此提出基于GPGPU的并行边缘点检测算法来提高滤波的效率.该并行边缘点检测算法分为并行检索k最近邻点、并行拟合平面、并行计算投影点和并行计算夹角等4个步骤.在计算检索k最近邻算法中,提出了队首优先的插入排序算法,大量减少判断次数.实验结果表明,采用GPU并行计算有效提高滤波效率,当数据量达到128 M以上,加速比可以达到9左右.     

三维有限元-边界元耦合法的并行计算及优化措施

在应用有限元-边界元耦合法分析大规模三维电磁场数值计算问题时,采用并行计算方式可以有效地节省计算时间和提高求解精度.在介绍并行计算在线性单元和高阶单元问题实施原理的基础上,分别论述了应用自适应交叉逼近技术降低边界元求解区域内存消耗、应用分布式预处理共轭梯度法求解器对复杂且包含易变化部件求解区域进行基于相对编号的建模以提高并行机群的运行效果、应用Borland C＋＋Builder软件实现分析结果导出自动化以降低人工工作量这三种对有限元-边界元耦合法并行计算的优化措施.     

基于单程序多数据流并行软件的性能预测法

为了提高预测并行软件性能的准确性和并行软件的开发效率,提出了一种基于单程序多数据流(SPMD)并行应用软件模块化技术的性能分析预测和并行软件辅助开发方法.通过量化计算开销、通信开销、通信与计算的耦合系数,阐述了在并行计算机系统中利用该方法开发并行计算软件和预测并行计算软件性能的过程.并就影响并行软件性能预测和开发效率的模块设计、模块性能数据建模、模块组合和计算与通信重叠等技术进行了研究.实验表明,该方法提高了预测并行计算软件性能的准确性,也提高了并行计算软件的性能和开发效率.     

基于视窗操作系统网络并行计算环境的建立与应用

针对单台微型计算机进行数值模拟耗时长的问题,在微软公司开发的32位视窗操作系统下建立了网络并行计算环境.把2台微型计算机连成一个星形结构的以太网,以并行虚拟机作为网络并行计算平台、Vi sualC 作为开发工具,通过建立帐号及主目录、配置网络、设置系统环境变量和测试等步骤,完成了并行虚拟机的配置与调试.采用C语言自行研制了并行凝缩算法的源程序,并进一步以主从进程模式对金属平板轧制过程的弹塑性力学行为进行了数值模拟.研究结果表明,所建立的网络并行计算环境运行可靠,并行加速比可达1 785,并行效率达到了89%,与单台微型计算机相比,不仅提高了运行速度,且大大缩短了计算时间.     

多分散系统不同粒径颗粒碰撞的多重八又树搜索算法

利用线性八叉树的拓扑结构对八叉树大小邻居搜索算法进行改进,在V氏八叉树颗粒搜索算法的基础上提出了一种快速预判大小颗粒碰撞的多重八叉树搜索算法.新算法对各种粒径分布的颗粒系统均有较好的适应性,且受颗粒形状和堆积密度的影响较小.对一个包含大中小3种粒径的颗粒系统进行计算,并与V氏八叉树颗粒搜索算法结果进行比较,发现多重八叉树搜索算法在运行时间上有非常强的优势.     

基于MPI的eclipse并行计算在油藏模拟中的应用

随着进行油藏模拟数据量增加,计算步骤日渐复杂,利用传统计算机来模拟,为了达到理想的模拟速度和效果,其硬件平台的投资将很高。本文设计并实现一种通过在windows下配置mpich2以建立的eclipse parallel并行计算,通过交换器和网线建立PC集群代替原有单个计算机来做油藏模拟。利用eclipse parallel,我们模拟并实现并行平台的要求,四台计算机同时计算程序,一台显示结果,通过使用实际数据对并行油藏模拟的稳定性和并行效率进行测试,测试显示在PC集群系统上高效运行eclipse进行油藏模拟模拟计算是可行的。