爆炸冲击数值模拟并行计算研究与实现

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采用动力有限元方法的爆炸冲击效应数值模拟软件,步长要求很小才能满足稳定性需求,单元尺寸要设置较小才能满足精度要求,因而计算规模庞大,目前单机已无法满足其对计算资源的需求,并行计算的发展恰好迎合了这方面的需求。在并行计算的方案中,共享内存式并行能减少数量众多的内核计算时的通信开销,发挥出计算节点内部强大的计算效能;分布式并行计算可以突破单个计算节点硬件性能的限制,使得并行计算的规模可以得到极大的扩展。结合共享式并行计算和分布式计算的各自优点,在计算节点内部采用共享内存式,而在节点间采用分布式计算,可以发挥出高性能计算机系统的强大能力。本文分别对爆炸冲击数值模拟软件EP3D实现了基于Open MP的共享内存式多线程并行优化和基于MPI的分布式并行计算并行优化,并最终将两者结合,实现了混合并行优化。针对基于Open MP的共享内存式并行,本文论述了优化的基本思想以及具体步骤,包括区分数据类型、设置并行互斥等;在实现Open MP初步优化的基础上,本文提出并实现了基于人为指定任务块以及设置公共变量私有化两种更深层次的优化方案。针对基于MPI的分布式并行,本文提出并实现了基于Metis软件包的区域划分的方案,这一方案同时满足负载均衡和尽量减少进程间通信这两个区域划分原则;提出并构建了点对点的进程通信模型,实现了进程级的并行计算;提出并实现了一种基于区分边界思想的并行优化方案,实现了计算和通信的并行。将前述两种并行方法结合,文章最终实现了基于MPI和Open MP的混合并行优化。本文对基于各个优化方案的并行程序进行了测试,结果表明各个程序计算结果精确,并行加速比较高,并行可扩展性较大,可以发挥出高性能计算机系统的强大能力。
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