稀薄气体Monte Carlo数值仿真并行化技术研究与实现

【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。