基于PC机群的化工动态模拟的并行应用研究

论文摘要

虽然随着计算机科学技术的快速发展,从第一台计算机产生至今,计算机的性能已经增长了成千上万倍,但是人们对高性能计算的需求也在不断的提高。因而在实践中,单个处理器还不能满足高性能计算的需求,这就促进了最近二三十年以来并行处理技术的蓬勃发展。 化工过程模拟通常采用基于过程机理和严格物性计算的精确数学模型,这类模型往往具有大规模、非线性的特点。一个典型的化工过程模拟的全联立方程维数一般达到几万,有的甚至达到几十万。对于如此庞大的全联立方程,单纯采用单机来求解显然需要耗费大量的计算时间。 虽然并行处理是解决这类问题的有效手段,但是专用的并行计算机价格昂贵,而随着个人计算机的逐渐普及和网络设备价格的下降,采用个人计算机通过互连网络组成的机群系统则为这类问题的解决提供了一个可扩展性好、易于实现的方案。在机群系统中,采用消息传递机制来实现进程间的通信。当前流行的基于消息传递的并行编程环境是MPI(Message Passing Interface)和PVM(Parallel Virtual Machine)。本文以MPI作为并行编程环境,在自建的PC机群系统下进行了机群并行方面的相关研究,并以精馏塔的动态模拟作为实例研究了化工动态模拟在PC机群上的并行化。 本论文首先介绍了并行处理的基本理论和化工动态模拟的基本情况,然后介绍了PC机群系统和MPI(Message Passing Interface)消息传递机制。在此基础上,建立了基于Windows2000/XP和MPI的PC机群实验环境,通过对实验环境并行性能的分析发现,PC机群适合于求解大规模的问题,对于一定规模的问题,虽然选用大规模机群总能缩短计算时间,但是整个机群的并行性能却不佳,这时缩小机群的规模反而能够获得更高的并行性能,更能充分利用资源,而在计算时间上相差并不大。最后总结了本论文所做的工作,并展望了后续的工作。 本文总共分为五章,其内容如下: 第一章,主要介绍了并行计算机的产生、发展及其分类,并行处理的基本理论,化工动态模拟的基本情况,并行处理技术在化工动态模拟中的应用现状,

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 并行计算机概述
• 1.1.1 并行计算机的概念
• 1.1.2 并行计算机的产生及发展
• 1.1.3 并行计算机的分类
• 1.2 并行处理的基本理论
• 1.2.1 并行性的开发策略
• 1.2.2 并行算法的定义和分类
• 1.2.3 并行计算模型
• 1.2.4 并行计算的性能度量
• 1.3 化工动态过程模拟综述
• 1.3.1 化工过程模拟的发展历程
• 1.3.2 化工动态模拟简介
• 1.3.3 化工动态模拟的一般过程
• 1.3.4 化工动态模拟的研究现状
• 1.4 并行处理技术在化工过程模拟中的应用
• 1.4.1 基于序贯模块法的模拟并行化
• 1.4.2 基于面向方程法的模拟并行化
• 1.5 本论文的研究内容
• 第二章 PC机群并行系统及MPI的使用分析
• 2.1 PC机群并行系统
• 2.1.1 PC机群并行系统简介
• 2.1.2 PC机群并行系统的组成
• 2.1.3 PC机群并行系统的特点
• 2.2 PC机群环境下的并行编程
• 2.2.1 并行编程的环境
• 2.2.2 并行编程的方法
• 2.2.3 并行编程的步骤
• 2.2.4 并行算法的设计
• 2.3 MPI的使用分析
• 2.3.1 阻塞通信
• 2.3.2 非阻塞通信
• 2.3.3 阻塞通信与非阻塞通信的结合
• 2.3.4 组通信
• 2.3.5 虚拟拓扑结构
• 第三章 基于Windows的PC机群系统的构建
• 3.1 机群的软硬件环境
• 3.1.1 硬件环境
• 3.1.2 软件环境
• 3.1.2.1 操作系统
• 3.1.2.2 并行编程环境
• 3.2 机群的通信系统
• 3.2.1 通信网络
• 3.2.2 通信协议
• 3.3 Windows2000／XP环境下的MPI
• 3.3.1 MPI的实现
• 3.3.2 MPICH的系统要求
• 3.3.3 MPICH的下载
• 3.3.4 MPICH的安装
• 3.3.5 MPICH的注册与配置
• 3.3.6 MPICH的运行
• 3.3.7 MPI下的程序设计
• 3.3.8 MPI程序的执行步骤
• 3.4 机群的性能分析
• 3.4.1 矩阵相乘的并行算法
• 3.4.2 理论分析
• 3.4.3 运行结果及其分析
• 3.4.3.1 问题的规模
• 3.4.3.2 机群和单机的比较
• 3.4.3.3 不同机群的加速比和并行效率的比较
• 3.4.3.4 结论
• 第四章 PC机群环境下的精馏塔动态模拟研究
• 4.1 数学方法的描述
• 4.2 精馏塔动态模型的建立
• 4.2.1 模型的一些假设
• 4.2.2 模型的建立
• 4.2.2.1 基本方程组
• 4.2.2.2 推导方程组
• 4.3 并行算法的描述
• 4.4 子系统的划分
• 4.5 算法的具体实现
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢