多核环境下受限Voronoi图的研究和实现

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Voronoi图作为空间离散划分的基本几何结构单元,是计算几何领域重要的研究方向之一。Voronoi图因其垂直平分的特性,特别适用于利用有限体积法求解如液体间流动、热传导等具有某种守恒性质的物理问题,但是在这些应用中,对Voronoi图的生成有特殊的限定条件,以油藏模拟为例,生成的Voronoi网格单元不能跨越边界、断层等物理障碍,对于一些特殊的点,如水平井点和垂直井点必须为Voronoi网格的中心点。由于实际应用中对受限Voronoi图的需求,以及受限情况下构造高质量的Voronoi网格需要进行大规模数据的计算处理,因此有必要对受限Voronoi网格的构造及其并行化算法进行研究和实现。   在现有的单机单核的计算能力下,处理大规模数量的网格生成,算法效率低下,计算时间无法接受,而在大型并行处理机进行数据处理,成本高,用户操作不便。随着硬件处理器的快速发展,以异构多核为特征的众核处理器已成为目前高性能计算的主流趋势,因此,结合实际需求,本文提出了在多核环境下利用MPI并行编程语言实现高效、可用的网格生成并行算法,具体研究成果和内容包括以下几个方面:   (1)根据Delaunay图是Voronoi图的对偶图的性质,使用间接法实现Voronoi图构造算法,生成网格结构饱满,质量高,但运行速度较慢。   (2)基于算法并行化考虑,采用最优算法-分治法来实现带有限定情况的受限Voronoi图的生成。根据两个限定条件(限定点和限定线原则),对各种限定情况做了分析处理,为后期生成高质量的网格进行合理布点。   (3)利用分治法构造大规模点集的Voronoi网格,同时设计修改了数据结构-双向循环链表(Doubly-connected edge list,Dcel),使之符合并行处理和限定Voronoi复杂边界的特点。   (4)使用MPI和C语言,采取逐步合并的整体并行方案,对合理布点的点集生成和Voronoi构造做了并行化处理,在大型惠普并行机和异构多核单机上分别进行了运算,得到实验结果。   (5)Voronoi对偶图Delaunay的转换实现,最终对数据进行处理实现图形的实时显示。   (6)最后,本文对基于Voronoi图技术未来的研究方向,进行了展望。   本文的研究成果可应用于模拟流体流动,建模绘制等领域,结合多核处理器和并行计算高速发展的时代特点,用于各种模拟问题的实时计算。
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