一种DSMC方法的并行策略

《一种DSMC方法的并行策略》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaApr．252014V01．35No．4968—974ISSN1000-6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cadoi：10．7527／S1000—6893．2013．0402一种DSMC方法的并行策略黄飞，苗文博*，程晓丽，沈清中国航天空气动力技术研究院，北京100074摘要：为提高直接模拟蒙特卡罗(DSMC)仿真模拟的并行计算效率，基于消息传递接El(MPI)的并行环境，通过对比分析主从模式及对等模式

2、两种程序设计模式下的并行效率，探讨了对等模式下非结构网格DSMC并行程序实现的关键技术及实施途径。提出了一种非结构网格下动态负载平衡DSMC仿真模拟的并行策略，设计了基于对等模式动态负载平衡的DSMC并行算法。最后以钝锥外形的高超声速绕流问题进行仿真模拟，验证本文并行算法的有效性，结果表明，本文设计的基于对等模式动态负载平衡的DSMC并行算法能够以高效的并行效率给出合理的结果。关键词：对等模式；非结构网格；动态负载平衡；并行效率；DSMC中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)04—0968—07随着临近空间高

3、超声速飞行器、深空探测、卫星技术[1。31等的飞速发展及其精细化的设计需求，稀薄气体效应下的气动特性预测问题逐渐凸显。在此类稀薄流问题求解中，直接模拟蒙特卡罗(DSMC)是迄今为止唯一获得巨大成功的方法，然而该模拟方法需要耗费大量的计算机时与内存资源，此种缺陷严重阻碍了该方法的广泛应用。随着近年来高性能计算机的迅速发展，并行计算已成为数值计算发展的主流。在大规模并行计算机群迅猛发展的带动下，DSMC方法大的计算量逐渐得到缓解，高效的并行设计方法成为DSMC算法设计中必须考虑的因素之一。研究人员针对Cray系列这类大规模并行计算机系统已开展了大量并行

4、DSMC计算的研究[4‘5]，并取得了许多研究成果。然而高昂的成本在一定程度上限制了其发展与使用，目前应用较为广泛的并行机群系统以其优越的性价比和良好的扩展性成为计算机并行处理的发展方向。国外针对高性能计算机群系统下DSMC的并行编程问题已开展了大量的研究工作，形成了许多较为著名的DSMC仿真代码[6]，其中主要有基于非结构四面体网格的MONACO[71代码及PDSC代码陪103和基于直角网格的DAC[1¨代码、SMII，E[121代码、ICA—RUSLl副代码及DS2V／3V代码[1“。国内关于DSMC并行算法的研究工作也取得了一定的进展，但主要

5、以主从程序设计模式居多[15。18]。本文针对DSMC大的计算量特征及并行消息传递接口(MPI)机群环境，研究了动态负载平衡下非结构网格DSMC的对等程序设计模式，探讨了对等模式下并行程序实现的关键技术及实施途径，最终采用高超声速过渡流区的钝锥绕流对算法的有效性进行了计算分析。1基于动态负载平衡下的并行程序设计模式并行计算的目的就是尽可能缩短应用软件的执行时间，或在同样的约束条件下求解更大、更复杂的问题。在实际并行计算过程中，并行软件执行时间取决于最慢的进程。由于算法、任务分配的不均衡和各节点机性能差异等原因，各并行进程的相对速度并不一致。此外，各

6、并行任务之间收稿日期：2013-06—13；退修日期：2013．08—09；录用日期：2013-09-29；网络出版肘闻：2013—10—0909：55网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／111929V20131009．0955．002htmI*通讯作者Tel．：010·68743210E-mail：Tingles@126com引珀撂武：HuangF，MiaoWB．OhengXL．etal．AparallelalgoritlznofDSMCmethod[Jj．ActaAeronauticaetAMronauticaSini

7、ca，2014。35(4)：968—974．黄飞，苗文蒋。程晓丽．等．一种DSMC方法的并行策略￡JI航空学报。2014，35(4)：968-974．黄飞等：一种DSMC方法的并行策略需要由同步通信语句保持计算同步，直到运行最慢的节点机完成计算后，所有的节点机才同时进入下一帧的计算，这将造成计算资源的严重浪费。在这种情况下，需要调整各节点机的计算负载，使系统负载达到平衡，减少计算资源的浪费，提高并行系统计算效率。负载平衡问题特别是动态负载平衡问题一直是并行计算的热点和难点。DSMC并行计算中的负载平衡与否取决于负载初始分配是否均衡和计算过程中的负载

8、变化。由于DSMC问题的随机特点和动态特点，使得DSMC并行计算中的动态负载平衡问题更具有挑战性。基于连续介质的计算流体力