專利名稱：在pc機(jī)上的并行化實(shí)現(xiàn)分子污染直接模擬蒙特卡羅方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于航天器上的分子污染直接模擬蒙特卡羅方法，特別涉及在 PC機(jī)上的并行化實(shí)現(xiàn)分子污染直接模擬蒙特卡羅方法。
背景技術(shù)：
用于衛(wèi)星整星污染模擬的直接模擬蒙特卡羅(Direct Simulation MonteCarlo， DSMC)方法是一種昂貴的計(jì)算方法，所占內(nèi)存大、運(yùn)算時(shí)間長，并且，工程應(yīng)用中，航天器自 身的幾何結(jié)構(gòu)決定了模型巨大的計(jì)算量，傳統(tǒng)的臺(tái)式計(jì)算機(jī)串行算法很難滿足運(yùn)算要求。 在這種情況下，并行計(jì)算顯示了容量大、時(shí)間短的優(yōu)越性，不僅解決單個(gè)計(jì)算機(jī)內(nèi)存不足的 難題，而且大大地提高了運(yùn)算速度。這是因?yàn)?它可以加快速度，即在更短的時(shí)間內(nèi)解決 相同的問題或在相同的時(shí)間內(nèi)解決更多更復(fù)雜的問題，特別是對一些新出現(xiàn)的巨大挑戰(zhàn)問 題，不使用并行計(jì)算時(shí)根本無法解決的；2節(jié)省投入，并行計(jì)算可以以較低的投入完成串行 計(jì)算才能夠完成的任務(wù)；3物理極限的約束，光速是不可逾越的速度極限，設(shè)備和材料也不 可能做得無限小，只有通過并行才能夠不斷提高速度。

發(fā)明內(nèi)容
—種在PC機(jī)上并行實(shí)現(xiàn)分子污染直接模擬蒙特卡羅的方法，基于DSMC方法，在整 個(gè)計(jì)算區(qū)域采取區(qū)域分裂法，將區(qū)域按照Z向劃分為n個(gè)節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)只處理本節(jié)點(diǎn)包含 的區(qū)域，計(jì)算內(nèi)容完全相同，包括分子的自由運(yùn)動(dòng)和與壁面的碰撞、分子由來流進(jìn)入、分子 間的碰撞以及宏觀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)；各節(jié)點(diǎn)上的網(wǎng)格號保持不變，同時(shí)確定分子進(jìn)入的區(qū)域，直 接將速度、轉(zhuǎn)動(dòng)能量、振動(dòng)能量及分子種類標(biāo)識(shí)傳入該節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間的信息交換只存在于相 鄰節(jié)點(diǎn)之間；具體包括以下步驟(l)在各節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行初始化工作，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的區(qū)域信息 互不相關(guān)；(2)各個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算分子的自由運(yùn)動(dòng)及與邊界面的碰撞，其中與壁面碰撞計(jì)算僅 在包含壁面的節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行，當(dāng)某分子的網(wǎng)格超出該節(jié)點(diǎn)的計(jì)算邊界，則說明該分子已經(jīng)離 開原來的計(jì)算區(qū)域而進(jìn)入新的計(jì)算區(qū)域，根據(jù)分子的網(wǎng)格編號確定出分子進(jìn)入的新的計(jì)算 區(qū)域；在分子原來所在區(qū)域內(nèi)，將該分子作真空邊界處理，而在新的區(qū)域內(nèi)，將該分子作為 該區(qū)域的N+l，該區(qū)域內(nèi)的分子數(shù)目為N個(gè)分子處理；此處N為正整數(shù)；同時(shí)，將該分子離開 原節(jié)點(diǎn)的分子信息發(fā)送至新節(jié)點(diǎn)；(3)各節(jié)點(diǎn)將所有分子重新排序；(4)各節(jié)點(diǎn)計(jì)算分子間 的碰撞過程；(5)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行宏觀量的統(tǒng)計(jì)，之后進(jìn)行本節(jié)點(diǎn)下一步取樣，即返回(2) ;(6) 當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)，即從節(jié)點(diǎn)取樣次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)置，各個(gè)節(jié)點(diǎn)將計(jì)算結(jié)果回傳到主節(jié)點(diǎn)上，再由主 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輸出，結(jié)束計(jì)算。


根據(jù)下面提供的示例實(shí)施例的詳細(xì)說明和附圖，本發(fā)明可被更加充分地理解，所
述詳細(xì)說明和附圖僅僅是為了說明的目的，因而并非是限制本發(fā)明。 圖1DSMC方法外部并行消息流程3
圖2DSMC的并行方案流程圖。
具體實(shí)施例方式
用于衛(wèi)星整星污染的DSMC方法算例計(jì)算量很大，單臺(tái)PC機(jī)已不能滿足工程化要 求。因此考慮采用串行程序并行化的一個(gè)最基本原則就是要有優(yōu)良的計(jì)算通訊比，即計(jì)算 量大于通訊量，這樣才能有利可圖；否則，雖然計(jì)算量分配在多個(gè)計(jì)算機(jī)上，但計(jì)算機(jī)之間 的通訊卻占據(jù)了大部分的時(shí)間，結(jié)果反而并行計(jì)算所耗費(fèi)的時(shí)間大于串行計(jì)算，這樣的并 行是沒有任何意義的。另外，并行計(jì)算不能夠影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，其結(jié)果必須與串行 程序的計(jì)算結(jié)果相一致，否則，并行效率再高，也不具任何意義。DSMC方法外部并行消息流 程圖如圖l所示。 本發(fā)明對單個(gè)程序進(jìn)行并行化處理。方案的流程圖如圖2所示。該方案結(jié)合DSMC 方法的特點(diǎn)，在整個(gè)計(jì)算區(qū)域采取區(qū)域分裂法。考慮到網(wǎng)格是按Z向一層一層劃分的，因 此，區(qū)域按照Z向劃分為n個(gè)節(jié)點(diǎn)。各個(gè)節(jié)點(diǎn)只處理本節(jié)點(diǎn)包含的區(qū)域，計(jì)算內(nèi)容完全相 同，包括分子的自由運(yùn)動(dòng)和與壁面的碰撞、分子由來流進(jìn)入、分子間的碰撞以及宏觀參數(shù)的 統(tǒng)計(jì)等。各節(jié)點(diǎn)上的網(wǎng)格號保持不變，所以該方案除了各節(jié)點(diǎn)之間存在信息傳遞外，在區(qū)域 信息及分子編號上無任何關(guān)系。這樣該方案只用判斷分子是否離開本區(qū)域(節(jié)點(diǎn))而進(jìn)入 其它區(qū)域(節(jié)點(diǎn))，同時(shí)確定分子進(jìn)入的區(qū)域，直接將速度、轉(zhuǎn)動(dòng)能量、振動(dòng)能量及分子種類 標(biāo)識(shí)等傳入該節(jié)點(diǎn)。由于DSMC方法中時(shí)間步長是按照網(wǎng)格尺寸選取的，即要保證分子在一 個(gè)時(shí)間步長內(nèi)走過的路程最多不能超過網(wǎng)格尺寸，一般為網(wǎng)格尺寸的1/3，所以分子離開本 節(jié)點(diǎn)計(jì)算區(qū)域后，只可能進(jìn)入其相鄰的節(jié)點(diǎn)而不會(huì)跨區(qū)，這樣，節(jié)點(diǎn)間的信息交換只存在于 相鄰節(jié)點(diǎn)之間。
具體步驟如下 (1)在各節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行初始化工作，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的區(qū)域信息(包括邊界信息，網(wǎng)格信 息)互不相關(guān)。 (2)各個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算分子的自由運(yùn)動(dòng)及與邊界面的碰撞(與壁面碰撞計(jì)算僅在包含 壁面的節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行)，當(dāng)某分子的網(wǎng)格超出該節(jié)點(diǎn)的計(jì)算邊界，則說明該分子已經(jīng)離開原來 的計(jì)算區(qū)域而進(jìn)入新的計(jì)算區(qū)域，根據(jù)分子的網(wǎng)格編號確定出分子進(jìn)入的新的計(jì)算區(qū)域。 在分子原來所在區(qū)域內(nèi)，將該分子作真空邊界處理，而在新的區(qū)域內(nèi)，將該分子作為該區(qū)域 的N+1(該區(qū)域內(nèi)的分子數(shù)目為N)個(gè)分子處理。同時(shí)，將該分子離開原節(jié)點(diǎn)的分子信息(運(yùn) 動(dòng)后的位置坐標(biāo)、速度、轉(zhuǎn)動(dòng)能量、平動(dòng)能量和分子所處的網(wǎng)格號等)發(fā)送至新節(jié)點(diǎn)。
(3)各節(jié)點(diǎn)將所有分子重新排序。
(4)各節(jié)點(diǎn)計(jì)算分子間的碰撞過程。
(5)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行宏觀量的統(tǒng)計(jì)，之后進(jìn)行本節(jié)點(diǎn)下一步取樣，即返回(2)。
(6)當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)，即從節(jié)點(diǎn)取樣次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)置，各個(gè)節(jié)點(diǎn)將計(jì)算結(jié)果回傳到主節(jié)
點(diǎn)上，再由主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輸出，結(jié)束計(jì)算。
權(quán)利要求
一種在PC機(jī)上并行實(shí)現(xiàn)分子污染直接模擬蒙特卡羅的方法，基于DSMC方法，在整個(gè)計(jì)算區(qū)域采取區(qū)域分裂法，將區(qū)域按照Z向劃分為n個(gè)節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)只處理本節(jié)點(diǎn)包含的區(qū)域，計(jì)算內(nèi)容完全相同，包括分子的自由運(yùn)動(dòng)和與壁面的碰撞、分子由來流進(jìn)入、分子間的碰撞以及宏觀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)；各節(jié)點(diǎn)上的網(wǎng)格號保持不變，同時(shí)確定分子進(jìn)入的區(qū)域，直接將速度、轉(zhuǎn)動(dòng)能量、振動(dòng)能量及分子種類標(biāo)識(shí)傳入該節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間的信息交換只存在于相鄰節(jié)點(diǎn)之間；具體包括以下步驟(1)在各節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行初始化工作，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的區(qū)域信息互不相關(guān)；(2)各個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算分子的自由運(yùn)動(dòng)及與邊界面的碰撞，其中與壁面碰撞計(jì)算僅在包含壁面的節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行，當(dāng)某分子的網(wǎng)格超出該節(jié)點(diǎn)的計(jì)算邊界，則說明該分子已經(jīng)離開原來的計(jì)算區(qū)域而進(jìn)入新的計(jì)算區(qū)域，根據(jù)分子的網(wǎng)格編號確定出分子進(jìn)入的新的計(jì)算區(qū)域；在分子原來所在區(qū)域內(nèi)，將該分子作真空邊界處理，而在新的區(qū)域內(nèi)，將該分子作為該區(qū)域的N+1，該區(qū)域內(nèi)的分子數(shù)目為N個(gè)分子處理；此處N為正整數(shù)；同時(shí)，將該分子離開原節(jié)點(diǎn)的分子信息發(fā)送至新節(jié)點(diǎn)；(3)各節(jié)點(diǎn)將所有分子重新排序；(4)各節(jié)點(diǎn)計(jì)算分子間的碰撞過程；(5)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行宏觀量的統(tǒng)計(jì)，之后進(jìn)行本節(jié)點(diǎn)下一步取樣，即返回(2)；(6)當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)，即從節(jié)點(diǎn)取樣次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)置，各個(gè)節(jié)點(diǎn)將計(jì)算結(jié)果回傳到主節(jié)點(diǎn)上，再由主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輸出，結(jié)束計(jì)算。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中的區(qū)域信息包括邊界信息和網(wǎng)格信息。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中分子信息具體包括運(yùn)動(dòng)后的位置坐標(biāo)、速度、轉(zhuǎn)動(dòng)能 量、平動(dòng)能量和分子所處的網(wǎng)格號。
全文摘要
一種在PC機(jī)上并行實(shí)現(xiàn)分子污染直接模擬蒙特卡羅的方法，具體包括以下步驟(1)在各節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行初始化工作，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的區(qū)域信息互不相關(guān)；(2)各個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算分子的自由運(yùn)動(dòng)及與邊界面的碰撞，其中與壁面碰撞計(jì)算僅在包含壁面的節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行；(3)各節(jié)點(diǎn)將所有分子重新排序；(4)各節(jié)點(diǎn)計(jì)算分子間的碰撞過程；(5)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行宏觀量的統(tǒng)計(jì)，之后進(jìn)行本節(jié)點(diǎn)下一步取樣，即返回(2)；(6)當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)取樣次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)置，各個(gè)節(jié)點(diǎn)將計(jì)算結(jié)果回傳到同一節(jié)點(diǎn)上，再由該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輸出，結(jié)束計(jì)算。在這種情況下，并行計(jì)算顯示了容量大、時(shí)間短的優(yōu)越性，不僅解決單個(gè)計(jì)算機(jī)內(nèi)存不足的難題，而且大大地提高了運(yùn)算速度。
文檔編號G06F17/50GK101770526SQ20081018807
公開日2010年7月7日 申請日期2008年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月29日
發(fā)明者焦子龍, 院小雪 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所