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1、航空學(xué)報ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaApr．252014V01．35No．4968—974ISSN1000-6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cadoi：10．7527／S1000—6893．2013．0402一種DSMC方法的并行策略黃飛，苗文博*，程曉麗，沈清中國航天空氣動力技術(shù)研究院，北京100074摘要：為提高直接模擬蒙特卡羅(DSMC)仿真模擬的并行計算效率，基于消息傳遞接El(MPI)的并行環(huán)境，通過對比分析主從模式及對等模式
2、兩種程序設(shè)計模式下的并行效率，探討了對等模式下非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格DSMC并行程序?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)及實施途徑。提出了一種非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格下動態(tài)負(fù)載平衡DSMC仿真模擬的并行策略，設(shè)計了基于對等模式動態(tài)負(fù)載平衡的DSMC并行算法。最后以鈍錐外形的高超聲速繞流問題進行仿真模擬，驗證本文并行算法的有效性，結(jié)果表明，本文設(shè)計的基于對等模式動態(tài)負(fù)載平衡的DSMC并行算法能夠以高效的并行效率給出合理的結(jié)果。關(guān)鍵詞：對等模式；非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；動態(tài)負(fù)載平衡；并行效率；DSMC中圖分類號：V211．3文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1000—6893(2014)04—0968—07隨著臨近空間高
3、超聲速飛行器、深空探測、衛(wèi)星技術(shù)[1。31等的飛速發(fā)展及其精細(xì)化的設(shè)計需求，稀薄氣體效應(yīng)下的氣動特性預(yù)測問題逐漸凸顯。在此類稀薄流問題求解中，直接模擬蒙特卡羅(DSMC)是迄今為止唯一獲得巨大成功的方法，然而該模擬方法需要耗費大量的計算機時與內(nèi)存資源，此種缺陷嚴(yán)重阻礙了該方法的廣泛應(yīng)用。隨著近年來高性能計算機的迅速發(fā)展，并行計算已成為數(shù)值計算發(fā)展的主流。在大規(guī)模并行計算機群迅猛發(fā)展的帶動下，DSMC方法大的計算量逐漸得到緩解，高效的并行設(shè)計方法成為DSMC算法設(shè)計中必須考慮的因素之一。研究人員針對Cray系列這類大規(guī)模并行計算機系統(tǒng)已開展了大量并行
4、DSMC計算的研究[4‘5]，并取得了許多研究成果。然而高昂的成本在一定程度上限制了其發(fā)展與使用，目前應(yīng)用較為廣泛的并行機群系統(tǒng)以其優(yōu)越的性價比和良好的擴展性成為計算機并行處理的發(fā)展方向。國外針對高性能計算機群系統(tǒng)下DSMC的并行編程問題已開展了大量的研究工作，形成了許多較為著名的DSMC仿真代碼[6]，其中主要有基于非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格的MONACO[71代碼及PDSC代碼陪103和基于直角網(wǎng)格的DAC[1¨代碼、SMII，E[121代碼、ICA—RUSLl副代碼及DS2V／3V代碼[1“。國內(nèi)關(guān)于DSMC并行算法的研究工作也取得了一定的進展，但主要
5、以主從程序設(shè)計模式居多[15。18]。本文針對DSMC大的計算量特征及并行消息傳遞接口(MPI)機群環(huán)境，研究了動態(tài)負(fù)載平衡下非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格DSMC的對等程序設(shè)計模式，探討了對等模式下并行程序?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)及實施途徑，最終采用高超聲速過渡流區(qū)的鈍錐繞流對算法的有效性進行了計算分析。1基于動態(tài)負(fù)載平衡下的并行程序設(shè)計模式并行計算的目的就是盡可能縮短應(yīng)用軟件的執(zhí)行時間，或在同樣的約束條件下求解更大、更復(fù)雜的問題。在實際并行計算過程中，并行軟件執(zhí)行時間取決于最慢的進程。由于算法、任務(wù)分配的不均衡和各節(jié)點機性能差異等原因，各并行進程的相對速度并不一致。此外，各
6、并行任務(wù)之間收稿日期：2013-06—13；退修日期：2013．08—09；錄用日期：2013-09-29；網(wǎng)絡(luò)出版肘聞：2013—10—0909：55網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／111929V20131009．0955．002htmI*通訊作者Tel．：010·68743210E-mail：Tingles@126com引珀撂武：HuangF，MiaoWB．OhengXL．etal．AparallelalgoritlznofDSMCmethod[Jj．ActaAeronauticaetAMronauticaSini
7、ca，2014。35(4)：968—974．黃飛，苗文蔣。程曉麗．等．一種DSMC方法的并行策略￡JI航空學(xué)報。2014，35(4)：968-974．黃飛等：一種DSMC方法的并行策略需要由同步通信語句保持計算同步，直到運行最慢的節(jié)點機完成計算后，所有的節(jié)點機才同時進入下一幀的計算，這將造成計算資源的嚴(yán)重浪費。在這種情況下，需要調(diào)整各節(jié)點機的計算負(fù)載，使系統(tǒng)負(fù)載達到平衡，減少計算資源的浪費，提高并行系統(tǒng)計算效率。負(fù)載平衡問題特別是動態(tài)負(fù)載平衡問題一直是并行計算的熱點和難點。DSMC并行計算中的負(fù)載平衡與否取決于負(fù)載初始分配是否均衡和計算過程中的負(fù)載
8、變化。由于DSMC問題的隨機特點和動態(tài)特點，使得DSMC并行計算中的動態(tài)負(fù)載平衡問題更具有挑戰(zhàn)性。基于連續(xù)介質(zhì)的計算流體力
