大规模多区结构网格CFD并行计算中的负载平衡算法研究

国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文

目录

摘要 (i)

ABSTRACT ........................................................................................................ i ii 第一章绪论 (1)

1.1 CFD数值模拟应用简介 (1)

1.2 并行CFD数值模拟中的任务负载平衡问题 (2)

1.2.1 CFD数值模拟中的网格类型 (2)

1.2.2 CFD数值模拟中网格块规模及其分布对负载平衡的影响 (4)

1.2.3 新型异构并行计算平台对CFD并行负载平衡的影响 (4)

1.3 并行CFD任务负载平衡问题的研究现状 (6)

1.4 研究内容 (8)

1.5论文结构 (9)

第二章基于遗传算法的并行CFD任务分配策略 (10)

2.1 引言 (10)

2.2 负载平衡问题的数学描述与性能建模 (10)

2.2.1异构平台下并行CFD模拟的计算开销和通信开销度量 (10)

2.2.2异构平台下并行CFD数值模拟的负载平衡性能模型 (11)

2.3 传统的贪婪负载平衡算法 (12)

2.4 遗传算法简介 (13)

2.4.1遗传算法基本术语 (13)

2.4.2遗传算法本质的分析 (14)

2.4.3遗传算法的优点 (15)

2.4.4遗传算法的基本流程 (15)

2.5 遗传算法在CFD任务分配问题中的应用 (17)

2.5.1染色体编码 (17)

2.5.2种群初始化 (18)

2.5.3选择操作 (18)

2.5.4交叉操作 (19)

2.5.5变异操作 (19)

2.5.6适应度函数设计 (20)

2.6 实验结果与分析 (21)

2.6.1通信模型中参数的确定 (22)

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2.6.2 CFD算例负载平衡测试 (22)

2.7本章小结 (24)

第三章大规模多区结构网格CFD任务负载平衡算法 (25)

3.1引言 (25)

3.2结构网格块的分割算法 (25)

3.2.1结构网格块的多维分割算法 (25)

3.2.2结构网格块的智能多维分割算法 (28)

3.2.3网格块分割操作过程 (29)

3.3 结构网格块的二次剖分算法 (31)

3.4进程上计算量的优化算法 (31)

3.5大规模并行CFD负载平衡算法的基本流程 (33)

3.6数值试验结果及其分析 (34)

3.6.1 CFD人工算例的负载平衡性能测试 (34)

3.6.2 CFD实际算例的负载平衡性能测试 (36)

3.7本章小结 (37)

第四章CFD任务负载平衡软件实现 (39)

4.1引言 (39)

4.2 CFD求解器系统的数据需求 (39)

4.2.1网格信息的存储与组织方式 (39)

4.2.2常用的网格坐标文件格式 (40)

4.2.3 网格边界拓扑结构文件格式 (42)

4.2.4 父子拓扑结构关联文件 (42)

4.3 结构网格并行CFD任务负载平衡软件的实现 (43)

4.3.1任务负载平衡软件功能需求分析 (43)

4.3.2基于面向对象编程的建模 (44)

4.4 CFD任务负载平衡软件的使用说明 (46)

4.4.1 计算资源文件 (46)

4.4.2 配置文件 (47)

4.4.3 任务负载平衡软件的使用 (47)

4.5 本章小结 (48)

结束语 (49)

5.1总结 (49)

5.2展望 (50)

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致谢 (51)

参考文献 (53)

作者在学期间取得的学术成果 (56)

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表目录

表1.1 第41届全球超级计算机TOP10排名 (5)

表2.1 通信开销模型测试结果 (22)

表3.1 CFD实例负载平衡测试结果 (37)

表4.1 两种边界类型的描述方法 (40)

表4.2 多块结构网格的基本信息 (40)

表4.3 Plot3d格式网格文件 (41)

表4.4 Gridgen格式网格文件 (41)

表4.5 网格文件格式的10种组合 (41)

表4.6 边界拓扑结构文件格式 (42)

表4.7 父子拓扑结构关联文件格式 (43)

表4.8 计算资源文件格式 (46)

表4.9 配置文件格式 (47)

表4.10 CFD任务负载平衡软件输出结果示例 (48)

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图目录

图1.1 对接型(1-to-1)结构网格 (3)

图1.2 拼接型(patched)结构网格 (3)

图1.3 重叠型(overset)结构网格 (3)

图2.1 异构型计算机体系结构 (11)

图2.2 一元多峰函数图像 (14)

图2.3 遗传算法基本流程图 (16)

图2.4 轮盘赌选择操作示意图 (18)

图2.5 适应度函数值F(?)与目标函数值h(?)之间的关系示意 (21)

图2.6 三种策略下任务分配结果比较 (23)

图2.7 两种策略下116个网格块在4个进程上的任务分配结果 (24)

图3.1 三维分割示意图 (27)

图3.2 二维分割示意图 (27)

图3.3 一维分割示意图 (28)

图3.4 多维分割算法的分割效果 (28)

图3.5 父网格块之间的拓扑关系图 (29)

图3.6 父子网格块坐标变换示意图 (29)

图3.7 对接边界面“投影”关系变换图 (30)

图3.8 网格块一维分割算法过程 (30)

图3.9 网格区域划分示例 (32)

图3.10 负载平衡算法的流程图 (33)

图3.11 网格块数较少情形的负载平衡测试结果 (34)

图3.12 网格块数较多情形的负载平衡测试结果 (35)

图3.13 异构平台上的负载平衡测试结果 (36)

图4.1 各文件与CFD任务负载平衡软件的交互过程 (44)

图4.2 CFD任务负载平衡软件类图集合 (45)

图4.3 多区结构网格CFD任务负载平衡软件活动图 (45)

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/71vl.html