光滑粒子流体动力学方法并行化及其应用研究

论文摘要

光滑粒子流体动力学方法（Smoothed Particle Hydrodynamic, SPH）作为一种拉格朗日形式的无网格方法,它保留了拉氏计算描述物质界面准确的优势,而且逻辑简单,能够避免有限元方法中的网格缠绕和扭曲等问题,因而特别适合计算多物质、大变形、断裂以及飞散等问题,因而近年来得到广泛应用。SPH方法的一个主要问题是计算量大,耗时较长,这极大地限制了它的应用,所以开展SPH并行化研究十分必要。本文简要介绍了SPH方法的基本理论和并行程序设计基础,提出了一种基于粒子划分的并行SPH程序设计方法,详细叙述了其基本思想、变量存储、信息传递和主要步骤,然后利用Fortran语言和MPI消息传递库在银河计算机上实现了该方案,此方案使得我们能够模拟百万个以上的粒子。两个超高速碰撞实例表明本方案是成功的,能够有效节约计算时间。对此方案的性能进行了详细的分析,结果表明对于粒子数在一万至几百万之间,进程数在23个以内时,加速比大约为8-11。最后,利用自编并行程序模拟了若干金属板侵彻实例,并和实验结果进行了比对,显示了并行SPH程序广泛的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 SPH并行化及其应用研究概况
• 1.3 本文主要内容
• 第二章 光滑粒子流体动力学方法简介及算例
• 2.1 SPH方法基础
• 2.2 SPH数值计算相关问题
• 2.2.1 守恒方程组的离散
• 2.2.2 初始粒子配置
• 2.2.3 时间步长和时间积分
• 2.2.4 光滑长度更新
• 2.2.5 本构关系
• 2.2.6 人工粘性、人工热流、保守光滑以及XSPH技术
• 2.2.7 SPH方法的具体计算步骤
• 2.3 SPH程序设计与算例
• 2.4 本章小结
• 第三章 并行程序设计简介
• 3.1 并行计算机的分类
• 3.2 并行计算机处理机的互连方式
• 3.3 并行编程模型和并行语言
• 3.4 并行算法设计与分析基础
• 3.5 MPI简介
• 3.6 本章小结
• 第四章 SPH方法并行程序的设计与测试
• 4.1 基本思想
• 4.2 树搜索算法的并行策略
• 4.3 计算步骤
• 4.4 超高速碰撞并行计算实例
• 4.5 模拟不同粒子总数时的加速比分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 SPH并行程序的两个典型应用
• 5.1 概述
• 5.2 钢弹侵彻钢板
• 5.3 钨块侵彻钢板
• 5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 全文总结
• 6.2 对本课题未来研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果