相场模型自适应方法及混合并行算法研究和实现

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cai2008
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随着计算机处理能力的快速发展及科学理论的空前爆发,使得计算材料科学对社会发展产生了越来越大的影响。相场方法是进行中尺度模拟的重要方法,在计算材料科学中被广泛应用。相场模型将系统看作一个整体,引入了一组序参量来描述模型的瞬时状态,进而建立系统总能量的表达,并基于这一表达进行系统的演化。  自适应网格技术是一种网格生成方法,能够自动适应问题特征,网格随着计算迭代而变。本文使用基于自适应网格技术的PARAMESH软件包来研究自适应网格技术。在相场模型中,要求弥散界面的厚度达到足够小,才可以得到精确解,由于序参量空间上的非均匀性,在弥散界面附近需要足够细密的网格,而在远离弥散界面的地方,可以使用较为稀疏的网格来计算。若使用均匀块结构网格来模拟相场模型,相场各部分均采用同样细密的网格,会增加大量的计算量,使用自适应网格模拟相场模型可以很好的解决这一问题。  现有的基于MPI进行的并行计算,在区域分割和对程序的高效执行方面,已经不能适合更大规模的处理器。MPI(Message Passing Interface)是一种消息传递库规范,多用于单主机上多核/多CPU的并行计算,在进行大规模并行模拟中有较高的性能。OpenMP是线程级的并行编程手段,采用共享存储体系结构,内存开销小。混合并行编程充分发挥两种并行模式的优点,实行更好的并行粒度,在多处理器计算机组成的结构中,节点间使用MPI进行粗粒度并行,节点内采用OpenMP并行。  本文使用自适应网格模拟红细胞稳定形态及过渡态的过程,并设计了自适应时间步长算法,根据能量下降原则自适应的调整每时间步的步长。对自适应网格程序计算部分和差值部分加入混合并行算法,针对红细胞形态的相场模型进行数值模拟,实验结果显示,得到了良好的并行效率。
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