本文選題：并行計算 + 區(qū)域分解��； 參考：《吉林大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：數(shù)值計算在現(xiàn)代科學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用,是幫助研究人員分析越來越復(fù)雜過程模型的重要手段。并行計算技術(shù)可以用來解決科學(xué)計算應(yīng)用中耗時長和模擬模型規(guī)模受阻問題。這方面的研究包括基礎(chǔ)計算平臺和并行應(yīng)用兩個方面,并行應(yīng)用是結(jié)合具體領(lǐng)域問題發(fā)揮并行計算效用的落腳點。開發(fā)一個并行數(shù)值計算軟件,需要將原有串行計算模式轉(zhuǎn)化為并行化計算模式。區(qū)域分解是最常見的并行化方法,區(qū)域在實際問題中分為空間域和頻率域等。設(shè)計并實現(xiàn)相應(yīng)的區(qū)域分解方法,是開發(fā)并行計算模式的基礎(chǔ)。本文關(guān)注這兩種并行模式的具體設(shè)計和并行計算的實際應(yīng)用。分別面向有限體積法地下復(fù)雜環(huán)境耦合過程和電磁場諧波平衡有限元計算問題,設(shè)計了相應(yīng)的并行計算方法并完成了實際領(lǐng)域的并行計算應(yīng)用。本文在地下復(fù)雜環(huán)境并行數(shù)值計算的研究工作受到中國地質(zhì)調(diào)查局計劃項目“全國二氧化碳地質(zhì)儲存潛力評價與示范工程”的支持。以美國勞倫斯伯克利實驗室(LBNL)TOUGHREACT三場耦合模擬模型為基礎(chǔ),與吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院課題組合作開發(fā)分布式內(nèi)存平臺上的高性能計算軟件THC-MP。該軟件同LBNL內(nèi)部開發(fā)的基于共享內(nèi)存并行模式的TOUGHREACT-OMP相比,在并行擴展度和計算效率方面有很多優(yōu)勢,在公開文獻中首次實現(xiàn)了分布式內(nèi)存平臺上的耦合過程并行計算。該軟件成功實現(xiàn)了鄂爾多斯盆地儲層大型三維模型的模擬計算,為二氧化碳地質(zhì)封存示范性項目數(shù)值模擬工作提供了支持。本文在電磁場分析計算的研究工作受到博士研究生聯(lián)合培養(yǎng)項目支持,與澳大利亞格里菲斯大學(xué)工學(xué)院合作解決了諧波平衡有限元方法的高效計算問題。通過在頻率域上對多次諧波進行分解,設(shè)計了頻域并行求解方法,并將該算法應(yīng)用到變壓器直流偏磁問題計算。為穩(wěn)態(tài)電磁場復(fù)合頻率問題和工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的高效模擬計算提供了一種快速解法。本文工作的主要貢獻有:1.針對環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域多相流體、溶質(zhì)運移和化學(xué)反應(yīng)耦合模擬過程,基于空間區(qū)域分解方法,完整實現(xiàn)了整個耦合過程的并行計算。將流體、運移、化學(xué)三部分的數(shù)據(jù)按照子空間網(wǎng)格集合進行重組,設(shè)計了基于統(tǒng)一空間區(qū)域分解的耦合過程并行計算框架。在核心方程求解階段實現(xiàn)了矩陣運算和網(wǎng)格處理計算的混合并行模式,優(yōu)化了耦合過程并行計算的負(fù)載均衡。2.將耦合過程的并行計算框架實用化,開發(fā)了熱-流體-化學(xué)三場耦合的模擬器THC-MP。和二氧化碳封存模擬計算模塊ECO2N結(jié)合,在松遼盆地儲層模型上驗證了并行計算的數(shù)值可靠性。并將該模擬器應(yīng)用到了鄂爾多斯盆地石千峰組儲層的二氧化碳地質(zhì)封存過程模擬,在分布式內(nèi)存并行平臺上完成了場地大規(guī)模三維模型的高效并行模擬。3.對電磁場計算中的諧波平衡有限元分析問題,在頻率域上對數(shù)值模擬計算進行分解,設(shè)計了基于諧波分解的塊矩陣類Jacobi迭代并行求解方法。并針對一個含有多次諧波的高頻變壓器直流偏磁問題,使用等同于諧波次數(shù)并行度的計算對該方法進行驗證。實驗結(jié)果顯示,頻率域并行計算方法減小了含有多次諧波的模型矩陣規(guī)模同時有效縮短了模擬計算時間。
[Abstract]:Numerical calculation plays an important role in modern scientific research. It is an important means to help researchers to analyze more and more complex process models. Parallel computing technology can be used to solve the problem of time consuming and the scale of simulation model in the application of scientific computing. This research includes two aspects of basic computing platform and parallel application, Parallel applications are the foothold of playing the utility of parallel computing in combination with specific domain problems. Developing a parallel numerical computing software needs to transform the original serial computing model into a parallel computing model. Regional decomposition is the most common parallelization method, and the region is divided into space domain and frequency domain in practical problems. The method of regional decomposition is the basis of developing parallel computing model. This paper focuses on the concrete design of the two parallel modes and the practical application of parallel computing. This paper has designed the parallel computing method of the finite volume method for the coupled process of underground complex environment and the finite element calculation of electromagnetic harmonic balance, and completed the practical field. The research work on parallel numerical calculation in the underground complex environment is supported by the China Geological Survey Project "national carbon dioxide geological storage potential evaluation and demonstration project", based on the three field coupling simulation model of the Laurence Berkeley Laboratory (LBNL) of the United States and the Jilin University ring. A high performance computing software THC-MP. on distributed memory platform is developed by the combination of frontier and resource colleges. Compared with TOUGHREACT-OMP based on shared memory parallel mode developed in LBNL, the software has many advantages in parallel scalability and computational efficiency. In the public literature, the first implementation of the distributed memory platform coupling is for the first time. The software has successfully implemented the simulation calculation of the large three-dimensional model of the Ordos Basin, which provides support for the numerical simulation of the carbon dioxide geological sequestration demonstration project. This paper is supported by the joint training program of the doctoral graduate students in the electromagnetic field analysis and calculation, with Griffith, Australia. The University Institute of technology has worked together to solve the problem of efficient calculation of the harmonic balance finite element method. By decomposing the multiple harmonics on the frequency domain, a parallel solution method in frequency domain is designed. The algorithm is applied to the calculation of the DC bias of the transformer. The high efficiency simulation calculation for the complex frequency problem of the steady-state electromagnetic field and the design of the industrial product is carried out. A fast solution is provided. The main contributions of this work are as follows: 1. the simulation process of multiphase fluid, solute transport and chemical reaction in the field of environmental science, and the complete realization of the parallel computation of the whole coupling process based on the spatial domain decomposition method. The data of the three parts of the fluid, transport and chemical are set up according to the subspace grid. The parallel computing framework of coupling process based on the unified spatial domain decomposition is designed. The hybrid parallel mode of matrix operation and grid processing is realized in the phase of core equation solving. The parallel calculation framework of the parallel computation of the coupling process is optimized. The parallel calculation framework of the coupling process is practiced, and the thermal fluid chemical three is developed. The field coupled simulator THC-MP. and the carbon dioxide sequestration simulation module ECO2N are combined to verify the numerical reliability of the parallel computation on the Songliao basin reservoir model, and the simulator is applied to the simulation of the carbon dioxide geological sequestration process of the stone thousand Peak Reservoir in the Ordos Basin and completed on the distributed memory parallel platform. The high efficiency parallel simulation of the large scale three-dimensional model of the field.3. is used to solve the problem of harmonic balance finite element analysis in electromagnetic field calculation. The numerical simulation calculation is decomposed on the frequency domain. A block matrix class Jacobi iterative parallel solution method based on harmonic decomposition is designed. The method is verified by the calculation of the parallel degree of harmonic frequency. The experimental results show that the parallel computation method of frequency domain reduces the scale of the model matrix with multiple harmonics and reduces the simulation time effectively.

【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP338.6

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本文編號：1795523