真空羽流場的dsmc并行數(shù)值模擬

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1、航空動力學(xué)報990201航空動力學(xué)報JOURNALOFAEROSPACEPOWER1999年　第14卷　第2期　Vol.14　No.2　1999真空羽流場的DSMC并行數(shù)值模擬*蔡國飆**　劉世儉　王慧玉　莊逢甘　　【摘要】　對DSMC方法進(jìn)行小噴管真空羽流數(shù)值模擬的計算軟件進(jìn)行了并行化改造。計算表明在多處理器（節(jié)點）上實現(xiàn)并行計算能夠大幅度地提高運算速度，縮短運行時間，增加計算規(guī)模，計算結(jié)果與串行計算一致。并對目前串行計算不能完成的真空羽流計算的算例成功地進(jìn)行了DSMC并行計算，計算結(jié)果與理論分析一致?！　≈黝}詞：　噴管氣流　蒙特卡羅法　數(shù)值模擬　計算　　　　　　　自由詞：　并行計

2、算　　分類號：　V4391　引言　　真空羽流場包括羽流核心區(qū)的連續(xù)流，外圍區(qū)的自由分子流和過渡區(qū)的過渡流。其流動極為復(fù)雜，很難用一種方法來描述，特別是對于過渡區(qū)的流動，目前尚無完善的理論，與之相對應(yīng)的數(shù)學(xué)方程是完全的Boltzman方程，除特殊情況外求解極為困難。比較成功地能夠模擬真空羽流場的數(shù)值技術(shù)是直接模擬的蒙特卡洛方法（DSMC），這種方法由BirdG.A.等人在60年代提出，幾十年來此方法被證明是成功的，并得到深入發(fā)展。但由于其計算量過大，計算時間過長，對內(nèi)存的要求很高，而使得其應(yīng)用受到限制［1］?！　∮嬎銠C(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在計算機(jī)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得并行計算機(jī)

3、在科學(xué)計算中的優(yōu)勢越來越明顯。從理論上講，并行計算規(guī)模可無限增大，并行計算速度可無限提高。真空羽流場DSMC實現(xiàn)并行計算，將能夠滿足其計算規(guī)模與計算速度的要求?！　?0年代末，F(xiàn)urlaniT.R.和LordiJ.A.等人［2］，采用三種并行方法實現(xiàn)過渡流場DSMC并行計算，在32節(jié)點上計算速度最快可提高17倍。90年代初，WilmmthR.G.和CarlsmA.B.等［3］在異構(gòu)并行環(huán)境實現(xiàn)DSMC的并行計算。他們利用Sun工作站、GrayYmp巨型機(jī)和IntelIpsc/860系列機(jī)所構(gòu)成的較為復(fù)雜的異構(gòu)并行環(huán)境進(jìn)行DSMC并行計算，得出與串行計算較為一致的結(jié)果，計算速度有更為明

4、顯的提高，計算規(guī)模能夠基本上滿足實際需要。2　并行計算和PVM系統(tǒng)　　并行計算機(jī)已有很長的發(fā)展歷程，其種類較多，可分為單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD)和多指令流多數(shù)據(jù)流(MIMD)兩大類。SIMD并行機(jī)按結(jié)果和運行機(jī)理可分為陣列機(jī)、萬方數(shù)據(jù)file:///E

5、/qk/hkdlxb/hkdl99/hkdl9902/990201.htm（第1／8頁）2010-3-2222:44:26航空動力學(xué)報990201流水線機(jī)和向量機(jī)。MIMD并行機(jī)按存儲器的組成也可分為存儲器分布式MIMD和存儲器共享式MIMD并行機(jī)?！　〔⑿杏嬎銠C(jī)的種類不同，相應(yīng)的并行算法也截然不同，SIMD并行機(jī)需要對計算問題進(jìn)行

6、微觀并行處理，對并行算法的依賴性強(qiáng)，串行占優(yōu)的計算問題其并行效率很難提高。存儲器分布式MIMD并行機(jī)可由識別串行算法的內(nèi)在并行性加以改造，而使整個計算實現(xiàn)并行，對并行算法的依賴性較弱，通過適當(dāng)選取并行對象能不同程度地包容串行計算過程?！　”疚膽?yīng)用的并行計算機(jī)是基于信息傳遞機(jī)制的松散耦合的大規(guī)模并行計算機(jī)系統(tǒng)(MPP)，屬存儲器分布式MIMD并行機(jī)?！　〈鎯ζ鞣植际組IMD并行機(jī)，能夠同時對多條指令及其各自相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。但其對系統(tǒng)軟件要求比較高。在算法運行過程中，需要協(xié)調(diào)進(jìn)程之間的同步問題以滿足它們的數(shù)據(jù)往來或控制依賴要求。80年代末，美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）推出的PVM

7、系統(tǒng)能夠較好地完成這些任務(wù)。PVM系統(tǒng)意即并行虛擬機(jī)（ParallelVirtualMachine），是一個并行系統(tǒng)軟件包，它能夠?qū)悩?gòu)并行網(wǎng)絡(luò)和其它系列機(jī)用作同一個并行計算環(huán)境來操作，完成大規(guī)模的計算任務(wù)。　　并行計算的目的是要克服運行速度和內(nèi)存空間的不足，使計算順利完成。因此實現(xiàn)并行化計算的原則應(yīng)為：(1)盡可能提高計算速度；(2)能夠處理更大規(guī)模的計算任務(wù)；(3)并行計算過程不影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。　　并行算法與并行程序設(shè)計的優(yōu)劣將直接導(dǎo)致并行計算效率有很大的差異，并行效果可以由并行加速比與可擴(kuò)展性來衡量。并行加速比是表示采用多個處理器并行計算時計算速度所能得到的加速倍數(shù)。設(shè)t

8、seq表示用串行計算機(jī)求解某個計算問題所需的時間，tp是用P個處理器求解問題的時間。在理論情況下，程序的每一部分若能完全并行，P個處理器的加速比應(yīng)該等于P，但在一般情況下，這是不可能的。定義加速比Sp和并行效率Ep為［4］：Sp＝tseq／tp　　　　　　　　Ep＝Sp／P　　加速比Sp一般比P小，Ep也小于1，且隨著處理器個數(shù)的增多Ep將減小。3　DSMC并行計算及真空羽流場的DSMC并行計算過程3．1　DSMC方法簡介　　DSMC方法是根據(jù)稀薄氣體流動