混合多粒度并行四面体网格生成算法研究与实现

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有限元分析方法是计算电磁学、计算流体力学和计算固体力学等运算物理物体或物理系统中的重要基础分析方法。网格生成作为以有限元法为代表的数值模拟的前处理,它的生成过程和结果会对后处理有很大程度的影响。在实际应用中,各种数值模拟方法采用的计算模型愈发复杂,其对生成的网格单元需求已经达到以亿为单位的规模,传统串行算法已经无法在内存空间和时间效率上满足生成大规模网格的需求,网格生成技术成为工程类研究的热点问题,网格生成算法也逐渐从串行算法发展为更为高效的并行算法。近几十年,超级计算机发展迅速,研究用于超级计算机提高网格生成速度与效率的并行算法是现在的重点问题,同时网格生成过程中会存在大量的低质量网格单元。针对以上问题,本文有以下具体工作:(1)以构建非结构网格常用方法Delaunay算法为始,对四面体网格生成与网格优化的各种算法进行分析。构建了一个组合并行优化算法的优化策略提升网格质量,测试模型的实验结果表明了此策略的效果:模型网格质量(体积边长比)在0.25以下的网格数量占比从7.45%减小到了1.35%,优化后84.62%的网格质量都保持在0.5以上。(2)根据“分而治之”的思想提出了一种面向分布式内存架构的粗粒度并行四面体网格生成算法。使用5个计算节点组成的工作站对三个几何模型进行了测试,实验表明4个计算进程获得的加速比在3左右。随后结合两种线程级细粒度并行插点算法,采用MPI+Open MP编程模型,实现了面向分布式+共享内存这一混合架构的混合多粒度并行四面体网格生成算法,实验结果表明混合算法对模型进行网格生成的速度提升明显。(3)根据线程级并行算法与构建的组合并行优化策略,实现了一个简易的Delaunay四面体网格生成系统,不同于常用的基于客户端的单体软件系统,而是基于浏览器/服务器体系结构,具有一定的便利性和可扩展性。
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