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基于超级计算机的并行矩量法关键技术与应用

林中朝  
【摘要】:电磁散射和辐射特性分析对于飞机、卫星、舰船等复杂系统的设计具有重要意义,但系统级电磁问题的高精度仿真需要巨大的存储量和计算量,因此长期以来都是电磁仿真计算领域的挑战性课题。幸运的是,国内高效能超级计算机的高速发展为预警指挥飞机等国家重大战略工程的电磁模拟提供了强有力支撑。为此,本文在矩量法的基础上利用大规模并行计算技术来提高电磁计算能力并加速计算过程,并将其应用于大型阵列天线辐射特性分析、预警指挥飞机的雷达天线布局和基站电磁污染评估等重要工程领域。本文深入研究了RWG基函数矩量法和高阶基函数矩量法的关键理论,并根据算法特征,讨论了矩量法的矩阵分布方案、矩阵并行填充方案、矩阵方程并行求解方案以及并行核外方案。同时详细分析了RWG基函数矩量法并行化过程中引入的进程间冗余积分计算,提出了通过优化网格编号消除进程间冗余积分的方案,并通过实例测试验证了这一方案的高效性。为充分发挥并行矩量法的矩阵方程求解性能,对矩阵分块大小、进程网格、内存缓冲区大小这三个影响并行LU分解性能的主要参数进行了优化选取,给出了在未经测试时三个参数的一般选取准则。同时分析了固态硬盘对核外求解器的加速效果。在此基础上,在通用计算平台和国产计算平台中对高阶基函数矩量法的并行性能进行了测试分析。在西安电子科技大学高性能计算集群系统中的并行规模达到2400 CPU核,以360 CPU核为基准,2400 CPU核时的并行效率约为65%。在上海超级计算中心的“魔方”超级计算机中的并行规模达到4096 CPU核,以512 CPU核为基准,4096 CPU核时的并行效率高于50%。在广州超级计算中心的“天河二号”超级计算机中的并行规模达到12000 CPU核,以600 CPU核为基准,12000 CPU核的并行效率高于65%。在国家超级计算济南中心的国产“神威蓝光”超级计算机中的并行规模高达102400CPU核,以320 CPU核为基准,10240 CPU核的并行效率约为55%,以1536 CPU核为基准,102400 CPU核的并行效率高于45%。通过测试分析给出了这四个计算平台中充分发挥计算机性能的内存使用率范围。值得指出,根据2015年5月的查新报告显示,这是国际上最大并行规模的国产电磁仿真应用。在并行矩量法的工程实例中,本文利用并行高阶基函数矩量法的核内求解器与核外求解器分析了机载雷达天线布局、大型雷达阵列辐射特性、移动基站电磁辐射等复杂电磁问题。作为核内求解器的工程实例,针对平衡木式机载雷达相控阵布局问题,分析了相控阵安装在飞机平台不同位置以及主波束在水平面和俯仰面相位扫描时的受扰辐射特性;针对圆盘式机载八木阵列布局问题,分析了八木阵列安装在飞机平台不同高度以及主波束指向机头、机翼、机尾时的受扰辐射特性。作为核外求解器的工程实例,分析了大型波导缝隙阵和大型微带天线阵的电磁辐射特性、平衡木式机载微带两面阵的电磁辐射特性以及移动通信基站在居民房屋内的电磁辐射强度问题,值得指出,利用高阶基函数矩量法求解时,机载雷达微带两面阵产生的双精度复数稠密矩阵规模高达150万,这是国际上已知的最大规模双精度复数稠密矩阵方程求解问题。文中大量数值仿真结果对于实际工程具有较高参考价值。


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