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稀薄气体Monte Carlo数值仿真并行化技术研究与实现

作　者: 傅游
导　师: 康继昌
学　校: 西北工业大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 稀薄气体并行计算程序并行化技术 DSMC(Direct SimulationMonte Carlo) 分子运动迁移相关动态负载平衡交互式工具软件
分类号: TP391.9
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

作为仿真稀薄气体流动的全能计算技术，DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)数值仿真方法在航空航天领域、微电子机械系统、航天材料和纳米技术等高科技研究领域得到了广泛应用。但DSMC方法对仿真计算平台的速度和存储容量要求很高，单计算机系统很难满足需要。随着计算机并行处理技术的发展，在高性能计算平台上进行稀薄气体Monte Carlo数值仿真成为稀薄气体动力学研究的一个重要方向。研究DSMC的并行编程技术，研制并行编程工具软件，具有很重要的理论意义和实用价值。基于连续介质的传统CFD并行计算强调物理作用的邻接性，以网格点处的流体参数作为计算对象；而基于离散介质的DSMC并行计算强调分子的动态运动，以分子运动参数作为计算对象。前者通过网格划分就可以静态实现计算任务的分配，比较简单；而后者的计算任务要随着分子的运动而变化，任务的划分只能动态实现。 DSMC并行化研究尚处于萌芽状态。国外多是针对某一具体DSMC程序进行并行化研究，未形成较系统的理论体系和方法，而且尚未见到DSMC并行化软件工具等类似系统的研发报道。国内对DSMC并行化技术的研究则基本没有见到。本实验室与西安交通大学能源与动力工程学院合作，首次进行了DSMC程序的并行化技术的探索和研究，取得了初步成果。 DSMC并行计算中，数据相关是由于分子在不同节点的计算子域间迁移造成的。据此提出了迁移相关的新概念，借以在对分子运动的跟踪过程中分析各子任务之间的动态相关性，为建立并行计算模型奠定基础。提出了基于迁移相关的DSMC并行计算模型，采用了可扩展并行运行时库(Run—time Library)来解决程序运行过程中动态的相关性分析、同步通信、负载平衡等难题。提出了基于迁移相关的运行时通信判定机制，解决了通信量动态变化的难题。提出了镜像异向通信方法，既避免了通信死锁，又简化了通信部分功能模块的编程。提出了一种基于数据迁移的动态负载平衡方法，解决了DSMC并行计算中的负载不平衡问题。在信息策略中提出了自适应负载信息收集法；在位置策略中提摘要出了重载优先算法，取得了良好的负载平衡效果。提出了DSMC交互式并行化工具软件的体系结构，并集成到己有的面向CFD的交互式并行化系统PARACTIVE中，实现了对DSMC程序也能进行交互式并行化的软件工具——PAKACTIVE＋。应用到两个DSMC方法算例的并行化中，成功生成了并行程序，在PentiumIVI．7G组成的9节点集群系统上进行了测试，4机并行效率达到85％以上，8机并行效率达到75％以上，得到用户的充分肯定。提出了并行DSMC程序的性能预测模型，实际测试结果与预测结果能较好的f吻合，帮助用户优化并行编程，节省编程时间。

全文目录

目录  5-8
中文摘要  8-10
英文摘要  10-12
第一章绪论  12-20
  1．1 引言  12-13
  1．2 并行编程的发展与现状  13-15
  1．3 程序并行化技术的研究与发展  15-16
  1．4 我们的研究内容与本文研究的主要内容及创新  16-18
  1．5 论文的结构安排  18-20
第二章基于连续介质CFD程序的分区并行化技术  20-33
  2．1 两种并行计算模式  20-21
  2．2 基于连续介质CFD程序算法和基于分区并行计算模型  21-24
  2．3 基于分区的CFD程序并行化技术  24-31
    2．3．1 程序并行化的基本内容  24-25
    2．3．2 基于分区的并行化技术  25-31
      2．3．2．1 基于分区的CFD相关分析和同步技术  26-30
      2．3．2．2 数据分布、程序转换和并行程序生成技术  30-31
      2．3．2．3 面向CFD的交互式并行化技术  31
  2．4 本章小结  31-33
第三章稀薄气体DSMC程序并行化研究  33-48
  3．1 稀薄气体动力学的基本概念和方法  34-36
    3．1．1 流动分区  34-35
    3．1．2 稀薄气体流动的控制方程-Boltzmann方程及其求解方法  35-36
  3．2 Monte Carlo方法及其基本思想  36-37
  3．3． DSMC方法简介  37-40
    3．3．1 DSMC方法原理  37-38
    3．3．2 DSMC方法的关键技术  38-39
    3．3．3 DSMC方法不同于传统CFD方法的特点  39-40
  3．4 串行DSMC程序分析  40-42
  3．5 DSMC程序的并行化方法研究  42-46
    3．5．1 DSMC程序并行化方法  42-43
    3．5．2 DSMC程序并行程序算法  43-44
    3．5．3 基于可扩展并行运行时库SPRL的DSMC并行程序结构  44-46
  3．6 本章小结  46-48
第四章迁移相关技术及其运行时通信判定机制  48-71
  4．1 DSMC串行程序仿真计算模型  48-50
  4．2 DSMC并行数据的划分  50-52
  4．3 迁移相关的概念  52-56
    4．3．1 DSMC并行计算基本概念  52-54
    4．3．2 迁移相关概念  54-56
  4．4 DSMC并行仿真程序计算模型  56-57
  4．5 DSMC程序迁移相关分析算法  57-60
  4．6 基于迁移相关的运行时通信判定机制  60-70
    4．6．1 基于迁移相关的DSMC并行程序通信判定  60
    4．6．2 基于迁移相关的通信信息组织  60-64
    4．6．3 基于迁移相关的同步通信实现  64-67
    4．6．4 基于迁移相关的同步通信优化  67-70
  4．7 本章小结  70-71
第五章基于数据迁移的动态负载平衡技术  71-86
  5．1 引言  71-72
  5．2 两种并行计算模式的负载平衡方法  72-73
  5．3 负载调整算法分类及其研究现状  73-74
  5．4 负载调整技术的主要研究内容  74-79
    5．4．1 动态负载调整算法分类  74
    5．4．2 负载调整策略  74-78
      5．4．2．1 信息策略  75-76
      5．4．2．2 位置策略  76-78
      5．4．2．3 选择策略  78
    5．4．3 负载调整步骤  78-79
  5．5 基于数据迁移的动态负载调整技术  79-84
    5．5．1 DSMC并行程序负载特点  79
    5．5．2 DSMC并行程序基于数据迁移的负载调整策略  79-84
  5．6 本章小结  84-86
第六章稀薄气体DSMC程序交互式并行化工具软件  86-102
  6．1 PARACTIVE的特点及结构  86-88
  6．2 DSMC交互式并行化中的交互技术  88-89
  6．3 分布数组描述协议DADP  89-93
  6．4 DSMC程序交互式并行化工具软件的体系结构和计算流程  93-96
  6．5 DSMC交互式并行化系统性能预测模型  96-101
  6．6 本章小结  101-102
第七章稀薄气体DSMC程序交互式并行化工具性能测试  102-108
  7．1 并行计算环境  102-103
  7．2 算例说明  103
  7．3 并行测试结果及分析  103-107
    7．3．1 生成的并行程序计算结果正确性测试  103
    7．3．2 不同规模算例在不同规模集群系统上的并行效率  103-106
    7．3．3 基于数据迁移的动态负载调整技术  106
    7．3．4 通信速度提高对并行效率的影响  106-107
  7．4 本章小结  107-108
第八章结束语  108-111
参考文献  111-119
致谢  119-121
附录作者博士期间发表的论文、科研成果及所获奖励  121

稀薄气体Monte Carlo数值仿真并行化技术研究与实现

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