【摘要】：計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)采用數(shù)值計(jì)算方法針對(duì)復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行求解以發(fā)現(xiàn)各種流動(dòng)的現(xiàn)象和規(guī)律,已經(jīng)廣泛應(yīng)用在航空、航空、氣象等領(lǐng)域。格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)是CFD求解的典型數(shù)值計(jì)算方法,擁有天然的數(shù)據(jù)并行性、邊界處理簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn),但是隨著網(wǎng)格規(guī)模的擴(kuò)大,使用LBM方法進(jìn)行求解出現(xiàn)了執(zhí)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題,同時(shí)在高性能計(jì)算機(jī)快速發(fā)展的今天,如何使LBM方法能夠在高性能集群上有不錯(cuò)的性能,是本領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。本文主要對(duì)計(jì)算流體力學(xué)中的LBM方法的并行化方法進(jìn)行研究,論文通過(guò)對(duì)LBM方法的分析,包括對(duì)LBM計(jì)算過(guò)程以及可并行化進(jìn)行分析,結(jié)合現(xiàn)有的成熟并行框架,針對(duì)LBM求解隨著網(wǎng)格規(guī)模的增大在單機(jī)上串行執(zhí)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題,提出了基于OpenMP的LBM并行化方法,縮短了 LBM方法在單個(gè)機(jī)器上的執(zhí)行時(shí)間;針對(duì)LBM方法在高性能集群上的擴(kuò)展問(wèn)題,通過(guò)對(duì)計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行劃分,利用MPI進(jìn)行計(jì)算通信,提出了基于MPI的LBM并行化方法;針對(duì)純MPI并行方法在集群上出現(xiàn)的通信代價(jià)過(guò)高、執(zhí)行效率過(guò)低的問(wèn)題,提出了兩種混合編程模型,并根據(jù)混合編程模型提出了基于MPI+OpenMP的LBM并行化方法,充分利用了集群的特性,有良好的性能;針對(duì)混合編程中存在的OpenMP使用過(guò)多導(dǎo)致線程創(chuàng)建和銷(xiāo)毀和MPI通信過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間變長(zhǎng)的問(wèn)題,提出了改進(jìn)的基于MPI+OpenMP的LBM并行化方法,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的方法降低了運(yùn)行的時(shí)間。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：O35
【圖文】：

３．速度邊界逡逑速度邊界指的是流體當(dāng)中的網(wǎng)格粒子運(yùn)動(dòng)到邊界位置時(shí)候的速度保持不發(fā)生變化。逡逑如圖２．４所示，假設(shè)網(wǎng)格粒子向上遷移運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，到達(dá)上邊界的橫向、縱向速度分逡逑別是ｗ邐，然而此時(shí)的／４，／７，／８是未知的，無(wú)法通過(guò)正常的遷移得到。由ｐ邋＝邋和逡逑廠《邋＝邋；＾＞，／；得到。邐＾逡逑ｆｉ，邋＋／７邋＋／８邋＝邋Ｐ￣（ｆ0邋＋邋ｆ＼＋ｆ２邋＋邋ｆｉ＋邋ｆ４＋邋ｆｓ邋＋邋ｆｂ）邐（２－１８）逡逑＝邋（，＋邋？／；邋＋邋／８）邋—邋（／３邋＋邋／６邋＋邋／７）邐（２－１９）逡逑Ｐ１＾邋￣邋ｉｆ２邋＋邋ｆｓ邋＋邋ｆｂ）￣邋（／ａ邋＋邋／？邋＋邋／？）邐（２－２０）逡逑并且假設(shè)：逡逑Ａ－ｆ：＇＝ｆ２－ｆ２ｑ邐（２－２１）逡逑１５逡逑

邐0邐虛擬流體逡逑圖２．３反彈邊界處理示意圖逡逑３．速度邊界逡逑速度邊界指的是流體當(dāng)中的網(wǎng)格粒子運(yùn)動(dòng)到邊界位置時(shí)候的速度保持不發(fā)生變化。逡逑如圖２．４所示，假設(shè)網(wǎng)格粒子向上遷移運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，到達(dá)上邊界的橫向、縱向速度分逡逑別是ｗ邐，然而此時(shí)的／４，／７，／８是未知的，無(wú)法通過(guò)正常的遷移得到。由ｐ邋＝邋和逡逑廠《邋＝邋；＾＞，／；得到。邐＾逡逑ｆｉ，邋＋／７邋＋／８邋＝邋Ｐ￣（ｆ0邋＋邋ｆ＼＋ｆ２邋＋邋ｆｉ＋邋ｆ４＋邋ｆｓ邋＋邋ｆｂ）邐（２－１８）逡逑＝邋（，＋邋？／；邋＋邋／８）邋—邋（／３邋＋邋／６邋＋邋／７）邐（２－１９）逡逑Ｐ１＾邋￣邋ｉｆ２邋＋邋ｆｓ邋＋邋ｆｂ）￣邋（／ａ邋＋邋／？邋＋邋／？）邐（２－２０）逡逑并且假設(shè)：逡逑Ａ－ｆ：＇＝ｆ２－ｆ２ｑ邐（２－２１）逡逑１５逡逑

主要是對(duì)每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的速度、密度進(jìn)行賦值，同時(shí)，計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的平衡態(tài)分逡逑布函數(shù)作為該網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的分布函數(shù)。初始化需要使用ＯｐｅｎＭＰ編譯指導(dǎo)語(yǔ)句，將初始化逡逑過(guò)程同時(shí)使用多個(gè)線程進(jìn)行執(zhí)行，從而加快了初始化過(guò)程的速度，如圖３．１為ＬＢＭ初逡逑始化并行計(jì)算示意圖。邐邐邋邐逡逑．初始化并計(jì)兌分布函數(shù)邐Ｊ逡逑￣Ｍ邐迭代塊０邐Ｍ線z０逡逑初始化并計(jì)算分介函數(shù)邋Ｊ逡逑邐邋Ｆｎｒ￣ｋ邐迭代塊丨邐１邐一邐．丨ｏｉｎ邋邐逡逑變量聲明一妼囂——邐邐＾數(shù)據(jù)同步逡逑＾初始化并計(jì)兌分布函數(shù)邋」，．Ｐｆ？逡逑￣＊邐迭代塊２邐線ｆａ２邐—逡逑ｔ初始化并計(jì)算分布函數(shù)邋Ｊ逡逑￣＊１邐迭代塊３邐線桂３逡逑圖３．１邋ＬＢＭ初始化并行計(jì)算示意圖逡逑在并行任務(wù)執(zhí)行開(kāi)始的時(shí)候，將ＬＢＭ初始化的循環(huán)任務(wù)分解成為Ｗ個(gè)迭代塊，并逡逑將這Ｗ個(gè)迭代塊分配到不同處理器核上進(jìn)行并行執(zhí)行。逡逑基于ＯｐｅｎＭＰ的ＬＢＭ初始化算法的描述見(jiàn)算法３．２：逡逑算法３．２：基于ＯｐｅｎＭＰ的ＬＢＭ初始化算法逡逑（１）邐＃邋ｐｒａｇｍａ邋ｏｍｐ邋ｐａｒａｌｌｅｌ邋ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ邋｛逡逑（２）邐ｓｉｚｅ邋＜—邋ｏｍｐ邋＿邋ｇｅｔ邋＿邋ｎｕｍ邋＿邋ｔｈｒｅａｄｓ＾）；逡逑（３）邐ｌｉｄ，邋＜—邋ｏｍｐ＿邋ｇｅｔ邋＿邋ｔｈｒｅａｄ邋＿邋ｎｕｍ0；逡逑（４）邐＃邋ｐｒａｇｍａ邋ｏｍｐ邋ｆｏｒ邋ｓｃｈｅｄｕｌｅ｛ｄｙｎａｍｉｃ）逡逑（５）邐Ｆｏｒ邋／＜－０邋ｔｏ邋ＮＸ邋／＊邋為ｘ方向的格子數(shù)＊／逡逑（６）邐尸…ｙ＜－ｏ邋／0邋ＴＶＦ邋／＊７Ｖｒ?yàn)樯俜较虻母褡訑?shù)＊／逡逑（７）邐ｕ［邋ｉ］邋［ｊ邋］邋［＝ｅ邋］；邐／＊＂［／］［．／］［０］為坐標(biāo)為／

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 王勇獻(xiàn);張理論;車(chē)永剛;徐傳福;劉巍;程興華;;結(jié)構(gòu)網(wǎng)格CFD應(yīng)用程序在天河超級(jí)計(jì)算機(jī)上的高效并行與優(yōu)化[J];電子學(xué)報(bào);2015年01期

2 陳國(guó)良;孫廣中;徐云;呂敏;;并行算法研究方法學(xué)[J];計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào);2008年09期

本文編號(hào)：2771527