三维多子区激光推进并行算法研究

论文摘要

激光推进是一种全新的推进技术,与传统的化学火箭推进相比具有有效载荷高、发射成本低等优势,对未来国家安全和国防综合实力的提高具有深远意义。激光推进系统中能量转换过程、流场演化规律及推力产生过程的数值模拟是激光推进从基础研究到实用化过程中的一个重要环节,它可以精细刻画实验很难测量的流场时空详细演化过程。该数值模拟计算量大,计算周期长,必须使用并行技术来缩短计算时间,加快各种条件下激光推进的机理研究。针对大气呼吸模式下脉冲激光推进涉及到的光线聚焦、能量沉积和流场演化过程进行数值模拟,控制方程采用Euler方程,求解激光能量源项采用辐射输送方程,空间离散采用有限体积格心法,时间推进采用五步Runge-Kutta法,流场边界分别考虑了开口边界、固体壁面和简易边界,并对多子区交界面进行了耦合处理。基于该数值模拟,采用区域分解策略对计算区域进行并行剖分,充分利用光线的空间局部性,并规定流场网格的加权负载,实现了负载平衡;建立能量源项及流场区域的全局数组与局部数组,从而加强对数组空间的利用,提高了Cache命中率;计算结点间通过消息传递进行交互,利用计算通信相重叠、合并小消息通信等方法对其进行了优化;简化了流场各子区交界面的复杂耦合过程,将通信代价由O（N2）减少为O（N）（N为结点数目）;采用并行I/O对流场演化数据进行保存。实现了适合多种聚焦系统及光船构型的三维多子区激光推进并行算法,并在不同并行环境上对该算法的正确性和并行性能进行了大量测试。对测试结果的分析表明:该算法的误差控制在极小的范围和幅度内,计算结果可信;该算法的效率随计算规模的增大相应提高,对大规模计算呈拟线性加速比,有着较高的并行效率,可扩展性较好;该算法对不同的计算构型均表现出较高性能,通用性较好。设计并实现的三维多子区激光推进并行算法极大地缩短了激光推进的理论研究周期,并对实验研究有着不容忽视的促进作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 激光推进基本概念
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 实验研究
• 1.3.2 数值模拟
• 1.4 主要研究工作与创新点
• 1.5 论文结构
• 第二章 相关并行技术研究
• 2.1 并行计算机体系结构
• 2.1.1 分布式存储
• 2.1.2 共享存储
• 2.1.3 分布式共享存储
• 2.2 并行编程模型
• 2.2.1 消息传递模型
• 2.2.2 共享变量模型
• 2.2.3 混合并行模型
• 2.3 并行算法设计
• 2.3.1 问题并行化
• 2.3.2 并行算法设计过程
• 2.3.3 并行算法模式
• 第三章 激光推进串行模式设计
• 3.1 激光聚焦过程
• 3.1.1 激光束离散化
• 3.1.2 光线聚焦系统
• 3.2 能量沉积过程
• 3.2.1 气体对激光的吸收机制
• 3.2.2 能量吸收系数的计算
• 3.2.3 差分形式的辐射输送方程
• 3.2.4 能量源项的计算
• 3.3 流场计算过程
• 3.3.1 控制方程
• 3.3.2 计算区域
• 3.3.3 空间离散
• 3.3.4 时间推进
• 3.3.5 边界条件
• 3.3.6 各子区域交界面耦合
• 第四章 激光推进并行算法设计
• 4.1 串行模式分析
• 4.1.1 相关性分析
• 4.1.2 耗时分析
• 4.2 并行算法概要设计
• 4.2.1 区域分解
• 4.2.2 结点边界交互
• 4.2.3 单个结点计算流程
• 4.3 并行算法具体设计
• 4.3.1 提高Cache 命中率
• 4.3.2 实现负载平衡
• 4.3.3 优化消息传递
• 4.3.4 采用并行I/O
• 第五章 并行测试与性能分析
• 5.1 测试环境与算例
• 5.1.1 并行环境
• 5.1.2 计算模型
• 5.2 并行测试
• 5.2.1 正确性测试
• 5.2.2 不同计算模型对性能的影响
• 5.2.3 不同网格规模对性能的影响
• 5.2.4 不同并行环境对性能的影响
• 5.3 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 下一步工作说明
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 输出文件中误差幅度分布