介观耗散粒子动力学模拟程序并行化与性能优化

论文摘要

耗散粒子动力学计算（dissipative particle dynamics, DPD）是一种介于原子尺度与介观范围内的模拟方法。该模拟方法应用范围广泛,能够有效探讨分子的堆积与分散问题,不但可以涵盖更多的粒子体系,而且可以研究较长时间内系统粒子的运动行为。但是串行方式的计算机模拟无法有效应对模拟体系不断增大、体系复杂度不断增加的状况。本文简明扼要地介绍了分子模拟与并行计算的研究背景,较为全面地介绍了耗散粒子动力学模拟的基本理论和计算方法,重点阐述了基于空间域分解的串行模拟程序的并行化算法,并引入了相邻单元格列表构建和重叠划分等方法,有效解决了模拟体系中的周期性边界和作用力截断距离等问题。最后,借助于MPI对并行算法加以实现,并在搭载有SGE （Sun Grid Engine）的高性能集群平台上完成多种条件下的模拟测试,结果表明并行算法不仅能够大幅缩短计算时间,而且适用于更大的模拟体系。同时,本文介绍了润湿现象的背景知识和相关的基本理论,并引入了传统耗散粒子动力学模拟方法的改进方法——多体耗散粒子动力学模拟方法（many-body dissipative particle dynamics, MDPD）,并以毛细管润湿现象作为模拟实例,进一步说明了多体DPD模拟方法能够很好地模拟毛细管润湿现象,并且得出空间域分解算法能够很好地应用于多体耗散粒子动力学模拟程序,使用该方法能够获取很高的模拟效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 分子模拟研究背景
• 1.1.2 并行计算研究背景
• 1.2 课题主要研究内容
• 1.3 论文的章节安排
• 1.4 本章小结
• 第二章 耗散粒子动力学模拟
• 2.1 背景介绍
• 2.2 耗散粒子动力计算
• 2.3 串行模拟程序
• 2.4 本章小结
• 第三章 DPD模拟程序并行化
• 3.1 作用力与力的作用范围
• 3.2 周期性边界条件
• 3.3 消息传递与MPI
• 3.3.1 并行编程模式
• 3.3.2 MPI基础
• 3.4 空间域分解算法
• 3.5 并行化流程
• 3.6 本章小结
• 第四章 实验与分析
• 4.1 实验实例与参数选取
• 4.1.1 实例特性
• 4.1.2 作用参数
• 4.2 实验平台
• 4.3 SGE作业脚本和常用命令
• 4.4 性能分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 润湿现象的多体耗散粒子动力学模拟
• 5.1 引言
• 5.2 背景介绍
• 5.3 润湿现象的基本理论
• 5.3.1 润湿现象本质
• 5.3.2 表面张力
• 5.4 多体耗散粒子动力学模拟方法
• 5.5 润湿现象的多体DPD模拟实验实例
• 5.6 润湿现象的多体DPD模拟结果
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书