三维电磁粒子模拟并行算法及其应用研究

题名:三维电磁粒子模拟并行算法及其应用研究
作者:廖臣
学位授予单位:电子科技大学
关键词:三维电磁粒子模拟;;并行计算;;电磁辐射;;消息传递模型;;共享存储模型
摘要:随着计算机技术的高速发展,电磁粒子模拟方法已成为研究电磁辐射或自洽场相关物理问题的重要手段之一。但是电磁粒子模拟方法很费机时,例如对复杂电真空辐射源的三维模拟往往需要花费数十小时甚至数周的时间。并行计算被认为是解决电磁粒子模拟方法费时问题的最有效手段。本论文的工作旨在对三维电磁粒子模拟的并行算法进行全面而深入的研究,主要包括以下几个方面的内容:
 1.建立了基于消息传递模型的三维电磁Neodymium Magnet粒子模拟并行算法。将三维电磁粒子模拟在每个时间步的推进分解为电磁场更新和粒子推进求解两个计算过程,分别在直角坐标系和柱坐标系下,讨论了这两个计算过程基于“一维分区”的并行算法。将两个计算过程的并行算法整合为了完整的三维电磁粒子模拟并行算法,并对整合后的三维电磁粒子模拟并行算法进行了优化。对直角坐标系下基于“一维分区”及柱坐标系下沿纵向或径向划分模拟空间的并行算法进行了统一,并分析了柱坐标系下沿角向分区进行并行计算存在的困难。将基于“一维分区”的并行算法推广到了对模拟空间进行“二维分区”和“三维分区”的情况。
 2.研究了三维并行电磁粒子模拟的改进算法和动态负载平衡算法,并提出了一种基于“分区建模”的渐变非均匀网格剖分算法。对基于消息传递模型的三维电磁粒子模拟并行算法进行了改进,使每个时间步减少了一次进程同步,可以进一步提高并行加速比。设计了一种三维并行电磁粒子模拟的动态负载平衡算法,该算法周期性地统计各进程的负载,当各进程的负载差别过大时,将调整模拟空间的分区位置,使进程的负载重新达到平衡,从而有效提高并行计算效率。提出了一种基于“分区建模”的渐变非均匀网格剖分算法,实现了对超大电尺寸器件的三维并行电磁粒子模拟。
 3.建立了基于共享存储模型的三维电磁粒子模拟并行算法。将三维电磁粒子模拟在每个时间步的推进抽象为三个计算过程:电磁场更新过程、粒子推进求解过程、电荷密度和电流密度更新过程;基于OpenMP标准,分别设计了每个计算过程的并行算法;并在多核计算机上对算法作了测试和分析。研究了基于MPI/OpenMP混合模式的并行计算,指出了基于MPI/OpenMP混合模式的三维并行电磁粒子模拟程序的编制方法。
 4.三维电磁粒子模拟并行算法的应用研究。实现了三维电磁粒子模拟软件CHIPIC-3D基于MPI/OpenMP混合模式的并行计算功能。应用CHIPIC-3D完成了对多种真空电子器件的并行模拟,包括磁绝缘线振荡器(MILO)、相对论速调管(RKA)、虚阴极振荡器(Vircator)等多种高功率微波源、重要的太赫兹电真空辐射源扩展互作用振荡器(EIO)、以及脉冲功率器件磁绝缘传输线(MITL)。模拟结果证明了并行算法的正确性http://www.everbeenmagnet.com/,并表明并行计算能显著地提高计算速度、缩短模拟时间。研制了一款专用于模拟直线感应加速器(LIA)输运系统的三维并行电磁粒子模拟软件——LIAPIC,应用LIAPIC对一款长约50米、由18个加速段组成的LIA输运系统进行了基于“分区建模”的并行模拟。
学位年度:2010