基于OpenMP的3维粒子模拟并行计算

基于OpenMP标准分别设计了粒子模拟方法中电磁场计算、粒子运动求解、电荷密度和电流密度更新的并行计算实现算法。在多核计算机上对所设计并行算法进行了性能测试和分析,根据分析结果在3维并行粒子模拟软件CHIPIC3D上实现了基于OpenMP的并行计算功能,并应用其对一种扩展互作用振荡器进行了基于OpenMP的并行模拟和基于OpenMP/MPI混合模式的并行模拟。模拟结果表明并行算法正确并能取得较高的加速比。     

基于JASMIN并行框架的2.5维粒子模拟程序NEPTUNE2D的研制北大核心CSCD

介绍了2.5维自主研制的并行电磁粒子模拟程序NEPTUNE2D初步研发情况。该程序基于JASMIN并行自适应结构网格支撑框架研制,并行效能高,可扩展性强,且支持动态负载平衡;采用新型PIC算法替代传统算法,避免求解泊松方程修正电场,更适用于大规模并行计算;程序支持r-z坐标系下的器件仿真,可应用于高功率微波器件、电真空器件的快速模拟设计。该程序现已完成电磁场更新、粒子推进、电磁场注入/引出、粒子发射/吸收等基本物理功能模块的研制,并通过同轴线、圆波导、同轴二极管及无箔二极管算例模拟验证了模块的正确性。最后,应用NEPTUNE2D程序设计了一个高效同轴相对论返波管,给出了粒子模拟结果和并行性能测试结果。     

基于OpenMP的飞秒强激光在空气中传输并行计算

轴对称超短强激光在空气中的传输可以用2D+1维非线性薛定谔方程来描述,该方程一般可用FCN方法进行求解,即在时间上应用快速傅里叶变换方法、在空间横截面上采用Crank-Nicholson差分法。但由于计算非常耗时,传统串行的FCN方法只能计算强激光在百m量级距离上传输。基于OpenMP设计了求解2D+1维非线性薛定谔方程的并行方法及其程序。数值模拟结果证明了程序的正确性和较高的并行效率。当线程数为15时并行加速比为12。此并行方法可应用于模拟长距离的超短超强激光的传输。     

三维面向对象的并行粒子模拟程序PLASIM3D

设计了基于区域分解的三维粒子模拟的并行算法,基于消息传递环境(MPI)编制了三维面向对象的并行粒子模拟程序PLASIM3D(PlasmaSimulator分别取前3个字母,3D表示三维).对激光与低密度等离子体薄靶相互作用问题作了粒子模拟计算,验证了该并行程序.最后在高性能并行机上测试并分析了并行性能,获得了接近线性的加速比.     

二维三温流体力学数值模拟程序的并行化

基于消息传递,通过设计并行算法和组织网格划分,实现了二维三温流体力学Lagrange数值模拟串行程序(Lared-Ⅰ)的并行化。结合物理问题特性和程序的执行特征,设计了动态负载平衡方法,进一步提高并行计算性能。并给出两个并行计算环境上的数值实验结果。     

自由电子激光振荡器的二维数值模拟

在柱二维坐标系中,用数值计算方法求解了摇摆器内电子模拟方程组、光场方程组和无源区(不含摇摆器区)经非自适应方法变换后的无源旁轴波动方程并设计了相应的程序R_2D。用该程序计算的数值结果表明,在有源条件下二维数值模拟结果与高斯光束近似下的数值模拟结果符合较好;取完全相同的计算条件R-2D程序与洛斯阿拉莫斯实验室(LANL)的FELEX程序的计算结果符合较好;初步认为LANL实验数据的物理图象合理,数值结果基本可信;最后给出北京自由电子激光器(BFEL)的一些物理数据。     

三维多物质欧拉界面处理的并行算法研究

针对现有的算法无法对爆炸冲击进行有效的研究这一问题,在改进了Youngs界面技术的基础上设计了三维多物质Euler界面处理的并行算法。然后采用MPI标准进行了算法的程序设计并对程序进行了并行性能测试和不同分区的算例测试,测试结果表明并行算法对加速比有较大的提高,而不同分区对并行算法的计算结果并没有影响。最后应用所编写的程序对空中爆炸和聚能射流进行了仿真,结果表明程序的模拟结果与前人的研究数据是符合的,说明了程序的有效性。     

改进的3维粒子模拟并行算法

 提出了两种改进的3维粒子模拟并行算法,改进的并行算法能在每个时间步减少一次进程同步。算法分析和数值模拟表明,由于粒子运动路径和发射的初始位置与随机函数有关,只有一种改进的并行算法能保证并行计算正确。在3维粒子模拟软件CHIPIC3D上实现了改进的并行算法,应用CHIPIC3D对一种相对论返波管进行了并行模拟,模拟结果表明改进的并行算法能取得更高的加速比和效率。     

核磁共振测井仪探头设计中的数值方法

核磁共振测井仪探头的优化设计能够增强仪器的探测特性,提高仪器的信噪比, 而探头设计中的数值方法对设计结果至关重要.本文利用电磁场有限元方法对贴井壁型核磁共振测井仪探头静磁场和射频场进行了2D和3D的数值模拟,深入分析了数值模型形状、模型尺寸、 单元形状对数值模拟结果的影响,并将有限元数值模拟结果与实测数据做了对比. 结果显示:数值模拟结果与实测数据符合.在设计核磁共振测井仪探头结构时, 选取与井眼形状一致的圆形模型,模型尺寸范围在10—15倍探头外径, 并采用三角形单元可以有效提高数值模拟方法精度,增强优化设计结果的可靠性.     

煤油超燃冲压发动机三维大规模并行数值模拟

在我国巨型计算机上,采用1024个CPU对煤油燃料超燃冲压发动机燃烧流场进行三维大规模并行数值模拟.计算软件采用自主研发的并行软件AHL3D,控制方程采用雷诺平均的N-S方程,无粘项计算采用Steger-Warning矢通量分裂格式,湍流模型采用k-ω双方程模型,煤油分子式采用正癸烷代替.计算给出的发动机壁面压强分布与试验测量结果有较好的一致性.结果表明,凹槽是发动机主要的着火区和火焰稳定区,同时,由于燃料的喷注形成的回流区也起到一定的稳焰作用.计算结果验证了AHL3D程序和采用的理论模型可以用于模拟煤油燃料超燃冲压发动机内部的复杂流动.     

Test-based thermal explosion model for HMX

We present a thermal explosion (cookoff) model for an HMX-based plastic bonded explosive (LX-10). The thermal–chemical–mechanical response of LX-10 is modeled based on the measurements from the scaled thermal explosion experiment (STEX) at the Lawrence Livermore National Laboratory. Confined LX-10 is heated at a rate of 1 °C/h until an explosion is observed. The modeled cookoff problem is simulated by the Arbitrarily Lagrangian–Eulerian hydrocode (ALE3D) that can handle a wide spectrum of time scales that vary from a structural to a high speed shock physics time scale. In addition to a comprehensive model for energetic material, the confinement material namely an AerMet 100 steel is modeled as a Steinberg–Guinan material with a Johnson–Cook failure model with a statistical failure distribution. By using the size distribution data from the fragmentation experiment, the metal fracture and fragmentation due to an explosion are modeled. The explosion temperature is predicted to within 1°. Calculated wall strain provides violence associated with the thermal explosion process and agrees favorably with the measured STEX data.     

基于消息传递接口的空中爆炸问题的并行计算

研究了用于处理三维多物质欧拉网格的模糊界面技术以及算法存在的数据相关性问题,提出了解决数据相关性的方法。采用基于消息传递接口(MPI)模式,设计出了相应的MMIC-3D并行程序,得到了无限空气介质中爆炸的三维数值模拟结果,计算结果与实际的实验现象及规律基本吻合。在共享存储的全对称多处理机(SMP)上进行了测试,得到了理想的加速比。     

串联弹前级装药对后级随进弹爆炸作用的研究

 为获得串联战斗部随进弹在受到前级装药爆炸作用时,质量对其所受最大过载及动能衰减的影响规律,采用非线性动力学软件AUTODYN,基于Euler-Lagrange耦合算法,对前级装药的爆炸过程中,不同弹径、不同质量的随进弹穿越爆轰场进行了数值模拟。得出了随进弹在前级爆炸作用下所受最大过载和动能衰减的变化规律。基于数值模拟结果建立了随进弹剩余速度与质量的无量纲关系式,计算结果得到了实验验证。     

炸药混凝土中爆炸能量释放规律的研究

 通过对炸药在混凝土中爆炸的并行计算,分析其数值计算结果,并对爆炸力学基础理论进行研究后认为：炸药在土岩介质中爆炸,炸药能量将通过爆炸空腔中爆炸产物内冲击波的多次往复反射的方式进行释放,同时破坏并推动土岩介质移动,土岩介质与爆炸气体的界面在爆腔内稀疏波的作用下进行持续减速扩张运动。     

Anisotropic sound and shock waves in dipolar Bose-Einstein condensate

We study the propagation of anisotropic sound and shock waves in dipolar Bose-Einstein condensate in three dimensions (3D) as well as in quasi-two (2D, disk shape) and quasi-one (1D, cigar shape) dimensions using the mean-field approach. In 3D, the propagation of sound and shock waves are distinct in directions parallel and perpendicular to dipole axis with the appearance of instability above a critical value corresponding to attraction. Similar instability appears in 1D and not in 2D. The numerical anisotropic Mach angle agrees with theoretical prediction. The numerical sound velocity in all cases agrees with that calculated from Bogoliubov theory. A movie of the anisotropic wave propagation in a dipolar condensate is made available as supplementary material.     

舰船水下接触爆炸数值研究

计及船体外板的材料强度,基于SPH算法建立水下接触爆炸数值模型,提出混合密度、广义光滑长度等解决数值模拟中计算崩溃的问题,对舰船的水下接触爆炸进行数值模拟,计算结果和冲击波基本理论及接触爆炸试验吻合良好.结果表明,接触爆炸时钢结构会产生圆形冲塞破口,其破口大小和炸药的厚度接近,当板与炸药的正则化厚度达1.8时,板仅会发生较大的塑性变形而不会冲塞破坏.并得到钢的反射系数约为1.2,及接触爆炸钢板的近似变形公式.     

Re-research on the size of proto-neutron star in core-collapse supernova

The electron capture timescale may be shorter than hydrodynamic timescale in inner iron core of core-collapse supernova according to a recent new idea. Based on the new idea, this paper carries out a numerical simulation on supernova explosion for the progenitor model Ws15M. The numerical result shows that the size of proto-neutron star has a significant change （decrease about 20%）, which may affects the propagation of the shock wave and the final explosion energy.     

三维光滑粒子流体动力学并行计算程序

介绍了基于消息传递并行程序设计平台研制的三维光滑粒子流体动力学并行程序CSPH3D.包括计算格式、并行方案、并行程序逻辑,以及加快邻域粒子搜索的处理方法.对三维微喷射和斜侵彻的计算表明:CSPH3D程序可以较好地计算这类问题.并且程序具有较高的并行效率.对于粒子总数为1527402的微喷射算例和粒子总数为1454225的斜侵彻算例,使用100个处理器时,并行效率可以达到80%.     

水下爆炸冲击波数值仿真研究

由于在水下爆炸冲击波的数值仿真研究中,水的状态方程、人工黏性系数和网格尺寸对数值计算结果影响很大,采用常规TNT炸药的水下爆炸为例,以冲击波的峰值压力和比冲量为衡量指标,研究了这3个主要影响因素对数值仿真结果的影响。首先,通过采用常用的5种水的状态方程进行系列仿真,给出了各种状态方程的适用范围;其次,讨论了人工黏性系数对计算结果的影响,并给出了一次与二次人工黏性系数的建议取值范围;最后,通过对不同炸药当量及不同网格尺寸开展系列运算,从而得到不同炸药当量在满足工程计算精度要求下所对应的建议网格尺寸,并得到了不同炸药当量所对应的建议网格尺寸的表达式。     

强光电离团簇并行数值模拟

 为研究强激光电离氢原子团簇,在理论上采用1维氢原子团簇的经典粒子动力学模型,结合粒子对(PP)算法及粒子模拟（PIC）方法,采用自行搭建的9节点并行集群系统,利用消息传递接口（MPI)与OpenMP混合编程模型进行了并行数值模拟计算,获得了较为理想的计算加速比。并且引入了弛豫时间参数,有效地处理了粒子间的碰撞过程,在极大简化计算量的同时,保留了物理本质。所得模拟结果与已有的实验结果符合较好,表明该并行计算模型是稳定、可行的。