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并行耗散分子动力学研究

作　者: 岳野
导　师: 赵英
学　校: 北京化工大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: DPD MDPD MPICH 超疏水表面 并行DPD
分类号: TP338.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 105次
引　用: 1次
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内容摘要


随着计算机技术的迅猛发展,应用高性能计算和一些新的算法进行分子模拟的研究已经成为一个新的研究方向。耗散分子动力学(Dissipative Particle Dynamic DPD)作为一种分子模拟的重要方法和工具已经在化工理论研究和化学实验中起到了很重要的作用。但是DPD模拟需要的计算量比较大,因此随着计算的粒子数的增加其计算时间和负载度增长较快,所以将DPD程序并行化,应用一些并行算法对DPD程序改造,可以缩短计算时间,提高计算效率。本论文采用空间划分算法,使用MPICH将DPD程序并行化,2节点并行加速比达到1.635,8节点达到5.8。另外由于传统DPD方法不能处理气体液体分相,因此不能模拟像动态润湿现象等当今很多热点问题,本论文在相关理论指导下将DPD程序改为多体耗散分子动力学方法(Many-body Dissipative Particle Dynamics MDPD),并且用一个毛细管润湿的实验验证MDPD程序的正确性。并且为了提高计算效率,本论文用同样的并行算法对MDPD程序进行了并行化改造,并且模拟了一个当前的热点问题的超疏水现象的Cassie模型,在多次模拟后得到比较理想的实验参数的情况下,通过4个计算节点达到了3.425的加速比,同时通过实验测得该并行程序有比较理想的负载平衡。并行计算作为高性能计算的一种,应用于分子模拟领域,不仅可以对分子模拟起到很大的作用,对高性能计算技术本身的发展也很有帮助,所以二者的结合具有重要的科学研究意义。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-14
第一章 绪论  14-18
  1.1 研究背景  14-15
    1.1.1 并行计算研究背景  14-15
    1.1.2 分子动力学研究背景  15
  1.2 课题意义  15-16
  1.3 本文的主要内容及研究工作  16
  1.4 本文的主要创新点  16
  1.5 本章小结  16-18
第二章 耗散粒子动力学算法原理  18-24
  2.1 DPD方法背景介绍  18-19
  2.2 DPD模拟方法原理  19-20
  2.3 DPD串行程序  20-21
  2.4 MPICH简介  21-22
  2.5 本章小结  22-24
第三章 DPD模拟算法的并行化  24-38
  3.1 DPD串行程序分析  24
  3.2 DPD串行程序并行化  24-26
    3.2.1 时间测试函数  24-25
    3.2.2 程序各部分所占时间比例  25-26
  3.3 DPD并行算法的设计  26-31
    3.3.1 根据力的并行化设计并行算法  26-27
    3.3.2 基于空间划分的并行算法设计  27-29
    3.3.3 数据交换算法  29
    3.3.4 并行DPD程序  29-31
  3.4 实验结果及分析  31-36
    3.4.1 实验环境  32
    3.4.2 串行程序的结果分析  32-33
    3.4.3 两个计算机节点并行程序的结果分析  33-34
    3.4.4 8计算机节点并行程序的结果分析  34-36
  3.5 DPD串、并行程序的一致性分析  36-37
  3.6 本章小结  37-38
第四章 Many-body DPD模拟润湿现象  38-46
  4.1 润湿现象简介  38-39
  4.2 润湿现象原理  39-40
  4.3 Many-body DPD模拟方法  40-41
  4.4 润湿现象的Many-body DPD模拟实验设计  41-43
  4.5 润湿现象的Many-body DPD模拟实验结果  43-44
  4.6 本章小结  44-46
第五章 超疏水现象及其模拟程序并行化  46-56
  5.1 超疏水现象简介  46-47
  5.2 Wenzel模型和Cassie模型  47-48
  5.3 并行算法设计超疏水实验设计  48-51
    5.3.1 超疏水计算空间构造  49
    5.3.2 超疏水固体表面构造  49-50
    5.3.3 超疏水液体粒子构造  50-51
  5.4 并行计算超疏水实验结果分析  51-54
    5.4.1 并行计算环境  51
    5.4.2 负载平衡分析  51-52
    5.4.3 并行超疏水模拟结果  52-53
    5.4.4 并行加速比分析  53-54
  5.5 本章小结  54-56
第六章 总结与展望  56-58
参考文献  58-60
致谢  60-62
研究成果及发表的学术论文  62-64
作者和导师简介  64-65
北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  65-66

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