无网格数值模拟的并行算法及并行实现研究

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无网格数值模拟是近十年来迅速发展起来的一种数值计算方法。这种方法建立在节点基础之上,无需网格信息,能够消除或部分消除网格划分所带来的困难。由于其无网格、精度高、收敛速度快等特点,在许多领域已获得广泛应用,具有很大的发展潜力。 无网格数值模拟中涉及到大量的矩阵运算,计算量比经典的计算方法明显偏大,对其并行算法及并行实现进行研究具有重要的意义。 本论文从如下七个方面对无网格数值模拟的并行算法进行研究: 1.并行节点搜索。如果节点规模较大,无网格数值模拟中节点搜索需要花费大量的时间。分析计算表明:使用并行顺序搜索或并行桶搜索算法,可以大大提高节点搜索的效率。 2.并行样点搜索。为取得较高的积分精度,无网格求解区域一般布置远远多于节点数目的样点,样点搜索也将耗费大量时间。经分析表明,使用并行顺序搜索或并行几何搜索算法,可以减少样点搜索时间。 3.无网格形函数及其导数的并行计算。无网格形函数及其导数的计算涉及到大量矩阵积、矩阵向量积、矩阵逆、矩阵求导、矩阵逆的导数等运算,计算量很大。采用划分算法,将计算任务分配到各个处理器,可以大大减少计算时间。在任务分配以后,形函数己自动实现中粒度并行计算,没有必要再进行细化。 4.数值积分的并行计算。精确的数值积分是无网格数值模拟的难点之一,讨论了适合于无网格数值积分的三种技术。计算结果表明:数值积分是无网格方法的一个非常重要的环节,将直接影响到方法的精度。采用单位分解积分是一个很好的选择。 5.本质边界条件的并行处理。本质边界条件的处理也是无网格数值模拟的难点之一,讨论了多种本质边界条件的处理方法,并研究了边条处理方法的并行计算情况。采用修正变分原理、罚函数法或基于达朗伯原理的配置法来处理本质边界条件,都是很好的选择。 6.线性方程组的并行求解。使用并行高斯消元或并行预处理共轭梯度法求解方程组。前者具有高的求解精度;后者具有很快的收敛速度,但只适合于对称正定矩阵。 7.负载平衡。采用多层图形划分算法进行负载平衡,研究了无网格数值模拟中任务划分的具体实现。分析表明,负责平衡是无网格数值模拟并行计算非常关键的一个环节,直接影响到并行计算的效率。 基于单位分解和有限覆盖,提出了特别适合于无网格并行计算的单位分解积分方法,在此基础之上研究了基于单位分解积分的无网格伽辽金方法。这是一种真正的
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