基于负载均衡分区法的建筑火灾并行数值模拟及应用

针对建筑火灾数值模拟过程占用计算资源大的问题,采用并行计算方法,综合考虑建筑火灾数值计算中的网格数、通信边界、火源位置以及可燃物密集程度,提出了建筑火灾数值模拟的负载均衡分区算法.并将此方法应用于农贸市场大型火灾数值模拟的并行计算中,与采用传统的递归坐标二分法的计算结果进行了对比.结果表明,建筑火灾负载均衡分区法具有更好的加速比与并行效率.     

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.     

油藏模拟实时监控

利用 Visual C+ +多线程的功能 ,开发了基于油藏数值模拟和实际动态参数的、具有实时监控功能的油藏数值模拟软件 ;将一个复杂的油田问题划分为几个简单的并行问题 ,实现了模拟计算过程中的计算、监控、动画等的并行功能 ,并对计算过程实施了动态监控 .该软件节约了模拟过程中拟合时间 ,形象地展示油田开过程中油水等在地下的运移情况 .用户只需通过简单的菜单操作 ,就可实现串行操作所不能实现的功能 .     

注射模冷却过程模拟的并行算法

根据边界元方法形成的系数矩阵的形态特点和计算机多核技术,提出了利用异步IO线程实现的矩阵并行生成算法和基于处理器时滞的线性稠密阵的并行SOR迭代解法,实现了注射模冷却过程模拟的并行计算,解决了该过程中所采用的边界元方法不适应并行计算的难题.数值结果表明,该算法在双核计算机上缩短了注射模冷却过程模拟1/3的计算时间.     

用格子Boltzmann大涡模拟方法计算电磁力作用下的翼型绕流

利用格子Boltzmann大涡模拟(LBM-LES)方法,对较大雷诺数Re =2.4×105下翼型绕流的电磁控制进行数值研究.结果表明,LBM-LES方法计算过程简单,容易并行,适合处理该问题.     

万核级并行飞机气动模拟软件CCFD研制

提出了面向大型飞机设计的气动模拟软件CCFD的架构和实现方法.对于复杂流场建模和高分辨率湍流数值模拟,CCFD采用对比分析各种计算模型和提高计算网格分辨率的方法来得到高精度的模拟结果和更精细的流场模型.CCFD在并行编程模型、负载平衡、通信重叠等多个方面针对万核级的大规模并行计算进行了改进.同时,CCFD实现了批处理作业、双模式控制参数设置、计算过程监控等功能的用户友好操作界面.通过在"天河一号"上进行的测试可以看出,随着并行规模从128核增加到近万核(8 192核),作业的运行时间稳定降低,加速比稳定增加.     

多介质辐射流体力学数值模拟中的并行计算研究

多介质辐射流体力学是传统的计算挑战性应用问题，对大规模并行计算机有强烈需求.近年来，在万亿次并行机的512个处理器上，对该类应用中的多介质Euler流体力学方程、辐射扩散方程、粒子输运方程、以及这些方程之间的耦合连接，开展了有效的并行数值模拟.作为连接数值模拟和并行计算机的桥梁，并行计算也得到了快速发展.文中综述了并行计算，尤其是并行算法和并行实现关键技术方面的重要进展.通过这些算法和技术，可以看出作者是如何组织和完成这些万亿次并行数值模拟应用的.     

双重介质油藏数值模拟并行算法研究

裂缝型碳酸盐岩油藏非均质性极强,数值模拟运算时间长,迫切需要一种切实可行的解决方法。介绍了区域分解法在数值模拟中的应用方法,提供了油藏数值模拟串行算法并行化的一般策略与方法。基于已开发的双重介质油藏数值模拟串行算法及建立的Windows平台PC集群网络并行计算环境,利用消息传递界面（MPI库）实现了并行过程中所有消息的传递功能。通过对国内某实际碳酸盐岩油田的模拟表明,并行后的算法是成功的,2个PC加速比高达1.86,4个PC达到3.46,8个PC达到6.89。通过模拟还发现,并行数值模拟时,存在最佳的子区域规模和数目。该算法解决了大规模碳酸盐岩油藏数值模拟时间长的问题,具有实际的应用价值。     

油藏模拟实时监控

利用VisualC^ 多线程的功能，开发了基于油藏数值模拟和实际动态参数的、具有实时监控功能的油藏数值模拟软件；将一个复杂的油田问题划分为几个简单的并行问题，实现了模拟计算过程中的计算、监控、动画等的并行功能，并对计算过程实施了动态监控，该软件节约了模拟过程中拟合时间，形象地展示油田开过程中油水等在地下的运移情况，用户只需通过简单的菜单操作，就可实现串行操作所不能实现的功能。     

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.     

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.     

基于改进遗传算法的RTM注射速率优化

针对目前遗传算法初始种群大多数为随机产生,注射速率优化过程容易早熟或不收敛问题,提出了基于注射速率规则的改进遗传算法。在大量注射速率历史数据基础上,建立了注射速率影响因素决策表,提出了规则相似度计算模型。由基于规则的种群生成算子生成初始种群,以填充质量最优为目标,并构造适应度函数,然后进行遗传操作,最后采用面向对象编程语言实现该算法。实例表明该算法比标准遗传算法收敛更快,而且在用该算法优化得到的注射速率下的充填质量比在用标准遗传算法优化得到的注射速率下的充填质量更好,说明采用改进遗传算法优化注射速率更为合理和可靠。     

弹性波动方程数值解的有限元并行算法

在求解弹性波动方程中，有限元法的高内存量和巨大运算量的需求在基于单CPU串行算法中一直难于满足，制约其优势的发挥。根据有限元法的“化整为零、集零为整”的基本思想与并行处理技术的“分而治之”的原则基本一致，采用基于多CPU的并行算法，从有限元参数矩阵计算和线性方程组求解两个方面人手，把求解区域分到多个CPU上并行计算参数矩阵，对线性方程组采用循环块三对角线方程组进行并行求解。对比了不同大小空间和不同CPU个数下的加速比，证实了多CPU的并行算法能够克服基于单CPU串行算法的物理限制，满足了有限元法的巨大空间量和运算量的需求。此算法具有理论上的正确性和实践上的可行性。     

基于PVM的并行辐射度声学仿真算法

针对建筑环境的复杂性及建筑声学仿真的实时性要求,提出用并行辐射度算法求解整个声场的声能,计算单位脉冲响应,并启用多处理机将频率分段求解,进而得到全频段的脉冲响应.在此基础上,对并行算法复杂度进行分析,同时对一个室内声场进行模拟,验证了算法的有效性,并给出并行算法加速比特性曲线.理论分析与实验均表明,采用并行算法可以有效提高复杂场景声学仿真的效率.     

埋地输油管道两相泄漏过程的格子Boltzmann模型

埋地输油管道易发生腐蚀泄漏,同时伴随着巨大的能源损失,并且对管道周围环境造成污染。根据格子Boltzmann方法的并行运算能力强、算法简单、编程容易等特点,针对埋地输油管道两相泄漏过程中流体流动特征以及两相流体间的相互作用,建立埋地输油管道两相泄漏过程的格子Boltzmann模型,并进行格子Boltzmann算法数值计算前期准备工作,确定数值计算步骤及终止准则。     

三维数值流形法覆盖系统并行分区生成算法

三维数值流形方法（three dimensional numerical manifold method,3D-NMM）是岩土工程数值模拟中强大的数值方法之一。但一直存在接触判断困难、计算处理数据量大,效率低等问题。将并行计算技术应用于三维数值流形方法覆盖系统生成可以有效提升其覆盖系统的生成效率。详细研究了并行编程模式下三维数值流形法覆盖系统的生成算法。基于MPI分布式内存编程原理,将分区覆盖生成作为三维数值流形法并行覆盖生成基本思路。先采用规则粗六面体网格覆盖问题域,并利用Metis划分网格形成负载基本均衡的子区域,在原有串行算法的基础上设计了子区域覆盖系统的生成算法。并基于分布式内存存储模式下不同区域间数据传递需求,对本并行算法建立了界面信息传递算法,用以并行计算过程不同区域间中数据交流。最后,使用C++开发了基于布尔运算的三维数值流形单元及覆盖系统并行生成算法。算例表明此并行覆盖系统生成算法可有效提高三维数值流形法覆盖系统的生成效率及其应用规模     

铸造充型过程初始温度场的数值模拟及实验研究

对铸造充型过程进行数值模拟是铸造计算机辅助工艺设计的重要内容之一。对铸件充型过程的流场温度场变化及初始温度分布进行了数值模拟研究。在计算方法改进方面，以二维ＶＯＦ方法为基础，提出了一种简单实用的三维自由表面处理技术。用显式热焓法求解能量方程，显著缩短了计算时间。为验证这些计算方法，以灰铸铁试件为例，对其初始温度场进行了重复测试。模拟结果与实测结果吻合较好。     

客车空调多元平行流冷凝器模型

文章分析了客车空调的运行特点以及对冷凝器的性能要求,介绍了多元平行流冷凝器的技术优势,对平行流冷凝器的流动和换热过程进行了深入分析,建立了一维准稳态数值计算模型,并在BJX10E客车空调上进行了应用设计和空调性能对比实验。结果证明,平行流冷凝器性能较传统的管片式冷凝器有较大提高,是一种可以提高客车空调能效、实现轻量小型化的新型换热器。     

基于CORDIC矩阵奇异值分解的FPGA实现

在矩阵的奇异值分解(singular value decomposition,SVD)过程中,随着矩阵维数的增加,SVD的计算量呈指数型增长,从而降低了算法运行的实时性。针对这个问题,基于Hestenes-Jacobi数值计算方法,提出了一种改进的基于坐标旋转数字计算机(coordinate rotation digital computer,CORDIC)的逻辑设计,该逻辑设计采用并行的全流水线设计思想,能够提高Jacobi平面旋转变换的运行速度,进而加快任意维矩阵奇异值分解的计算速度。分析了基于Hestenes-Jacobi方法的SVD的数值计算过程,介绍了CORDIC算法的基本原理,并具体说明了基于CORDIC算法的Jacobi平面旋转模块的设计,利用Verilog语言实现设计并验证,在现场可编程门阵列(field-programmable gate array,FPGA)上运行该逻辑设计单元,与Matlab软件的运行结果进行对比。实验测试结果表明,该结构能够减少计算时间,适应高速数据处理的要求。