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.     

基于负氢离子源的全三维PIC/MCC模拟算法研究

在分析负氢离子源中等离子体物理机理基础下, 研究并优化粒子模拟算法, 设计高效的粒子存储方法. 研究并运用粒子碰撞蒙特卡罗方法, 考虑等离子体势以及带电粒子间库仑碰撞, 研制了全三维粒子模拟/蒙特卡罗算法(PIC/MCC). 采用磁荷模型, 运用时域有限差分方法计算多峰磁场, 并结合国外负氢离子源JT-60U, 考虑负氢离子源中主要反应, 对全三维PIC/MCC模拟算法模拟验证.     

用于飞秒激光纳米加工的TiO_2粒子阵列诱导多种基底表面近场增强

利用纳米粒子辅助对飞秒激光能量进行空间局域化,使其在基底表面诱导产生纳米尺度的近场增强,这对超衍射极限微结构加工具有重要意义.目前对于粒子阵列诱导飞秒激光纳米孔加工的研究仅限于金属Au粒子及低折射率聚苯乙烯介电粒子等,本文提出并开展了应用高折射率TiO_2介电粒子阵列作为辅助诱导激光近场增强从而进行飞秒激光超衍射纳米孔加工的研究.对TiO_2介电粒子阵列在Si,Pt及SiO_2表面的近场强度分布进行了数值模拟,研究其基底表面近场增强的规律及物理过程.研究结果发现,使用硅基底时,阵列与单一TiO_2球形粒子相比其近场增强仅下降约30%;相对于入射激光强度而言,在直径约为100nm的空间范围内获得140倍的近场增强,这一现象可用于百纳米孔的激光加工.同时在其他典型基底的理论计算结果中也表明,几乎在所有金属及介电材料表面均可以实现良好的百纳米空间范围内的近场增强,并且具有近场随着基底折射率变大而增强的规律.这些现象的产生归因于TiO_2粒子中磁四极振荡产生的激光前向场增强及粒子与基底的耦合作用.进一步引入镜像电荷模型对基底光学参数对其表面近场增强的影响规律进行了分析和解释.本文的模拟结果对飞秒激光近场超衍射极限纳米加工的应用有着重要的意义.     

激光等离子体相互作用的2(1/2)维粒子模拟程序

研制了2(1/2)维粒子模拟程序PLASIM(Plasma Simulator),介绍经过验证的该粒子模拟程序的算法,其特点是自含碰撞,即β粒子云模型的选取使得该程序无需额外的计算开销就能在程序中自洽地含有碰撞,使计算结果更加符合实际情况.另外电子和离子的运动都是相对论的,适于模拟超强激光与等离子体的相互作用.     

潘宁源放电的全三维电磁粒子模拟/蒙特卡罗碰撞数值算法研究

深入研究潘宁放电的物理机制, 研制了全三维高品质算法粒子模拟软件(PIC), 设计并添加了相应物理情景的蒙特卡罗碰撞模块(MCC), 并对电子、氢分子离子(H₂⁺)、氢正离子(H⁺)、氢三正离子(H₃⁺)同时进行了跟踪, 成功研制了全三维电磁PIC/MCC数值算法. 结合国内研究较热的潘宁放电模型, 对该算法进行模拟验证. 模拟结果显示: 采用有效的滤波算法能抑制电磁数值噪声, 电子能量呈麦克斯韦分布, 由于电子的径向漂移和加速导致离子源顶端H₂⁺产量较大. 关键词： 潘宁离子源 高品质算法 粒子模拟/蒙特卡罗     

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%.     

微喷射粒子团簇探测算法及其应用

在团簇多重标号技术基础上,提出了团簇探测的新算法,并以此作为大尺度二维和三维分子动力学模拟冲击加载金属材料微喷射粒子团簇分析的子程序.以二维为例描述了算法的逻辑结构,测试分析了算法的运行效率,并将其应用到二维分子动力学模拟冲击加载金属Cu和Al微喷射粒子的团簇统计分析中,对微喷射粒子团簇尺寸分布得到一些规律性认识.     

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。     

H_2+He流体混合物在部分离解区的物态方程

H2+He流体混合物在高温高压下由于氢的离解化学反应形成由H2,H,He三种粒子构成的混合体系,此时粒子间的相互作用较为复杂,离解能也会由于粒子间的这种复杂相互作用而降低.本文利用自洽流体变分理论来研究部分离解区H2+He流体混合物的高温高压物态方程,模型考虑了各种粒子间的相互作用及由温致和压致效应引起的离解能降低的自洽变分修正,并通过自洽流体变分过程对非理想的离解平衡方程求解得到粒子数密度分布,进而对自由能求导获得体系的热力学状态参量.计算结果与已有的冲击波实验数据、蒙特卡罗模拟及其他理论计算进行了比较.     

LJ团簇和H2O团簇的局域优化计算

将传统分子动力学方法中时间积分步长定义成粒子的最大加速度、最大速度和变化的最大允许空间步长的函数,并给出了空间步长的确定方法.作为对这个算法有效性的检验,计算了较小Lennard-Jones团簇和H₂O团簇的稳定结构,发现了新的(H₂O)₁₃的最小能结构.     

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。     

微波脉冲窄缝耦合的数值并行计算

采用时域有限差分方法（FDTD）对微波脉冲与窄缝耦合过程进行了数值模拟计算,分析了数值模拟计算过程中的并行性,给出了相应的并行算法,算法中采用消息合并和计算与通信重叠技术来减少通信阳,分析了算法的通信复杂性,给出了在Alpha工作站上的测试结果。     

基于机群系统的薄膜淀积并行计算

基于集群并行系统,实现了运用蒙特卡罗方法模拟100×100×100个原子Si衬底Al薄膜淀积过程的并行计算.采用了重叠的区域分解法和异步通信的有效并行计算策略,将区域的合理划分与薄膜淀积的空间填补的拓扑几何机理结合起来,着重减少通信耗费,提高算法的并行性能,大量地缩短了薄膜淀积模拟计算时间,从而为运用计算机方法模拟薄膜淀积、完成薄膜材料淀积的预测提供了更高效的手段.     

一种非定常N-S方程并行求解设计

为了解决计算流体力学(CFD)中非定常计算与越来越大的计算量,并行计算已成为一种现实有效的选择.论文首先研究了一种并行区域分解策略,该策略简单而高效,但需要算法配合.为此,采用了一种与并行完全兼容的隐式方法DP-LUR方法.通过双时间步长法,将DP-LUR方法延伸应用到非定常计算中而不改变其原有的性质.最后分析了并行编程中的主要难点,提出解决方法,即采用中间数据分离节点下标与处理,并给出了并行程序的总体结构.     

结构动力分析并行直接积分算法在YH-1机上的实现

本文给出适合寄存器—寄存器加工方式向量机的有效并行直接积分算法。在YH-1机计算表明,当问题总自由度仅为1600阶时,加速比接近30。结合YH-1机特点,在并行计算中部分使用汇编语言,加速比将提高到50。     

三维激光烧蚀瑞利-泰勒不稳定性并行计算

给出了用三维激光烧蚀不稳定性程序求解的物理方程组,简要介绍了所用的数值方法.根据所模拟问题的物理性质和数值模拟方法探索了在多处理机上实行并行计算的技术和方法,并行效率达75%,在此基础上进行了三维多模激光烧蚀不稳定性的数值模拟,深化了对有关物理规律的认识.     

解结构动力问题的半隐式Runge-Kutta型并行直接积分法

本文利用三级三阶半隐式Runge-Kutta法解结构动力问题,并用多项式预处理共轭梯度法解有关方程组。提出了半隐式Runge-Kutta型并行直接积分法RK33P。在YH-1机上,与相应的串行算法RK33S相比较,当有关方程组的阶数为10³~10⁴时,加速比可达24~27。     

快速傅里叶变换的并行计算

本文是"快速傅里叶变换向量化程序包"研制工作的部分内容,主要介绍一维、二维复数据快速傅里叶变換的并行计算方法及其计算效率。在银河机(YH—1)上的计算实践表明,向量运算比相应的标量运算,平均可提高功效数十倍。     

流动和传热问题的分区并行计算

针对交错网格下的SIMPLE数值算法实施了分区并行计算方法,在小型局域网下实现了流动和传热问题的并行数值计算.对两个经典的流动和传热问题的数值模拟实验表明,所建立的并行计算环境和分区并行算法能够得到正确的和收敛的数值结果.但与串行计算结果相比,并行计算误差明显大于串行计算误差.对并行算法做出的性能分析表明,所给出的并行算法得到了明显的加速效率.随着计算规模的增大,加速比和并行效率提高更显著.     

RS/6000机群系统中分子动力学并行算法的研究

在IBM　RS/6000工作站组成的机群系统和PVM（并行虚拟机）并行环境中,用消息传递机制方式和C++语言实现了微正则系综（NVE）的分子动力学并行计算程序,并对不同分子数（256～108000）组成的Lennard-jones理想流体进行了模拟研究。结果表明,在小型机群系统中,原子分解法具有理想的加速比,考虑到区域分解法的适用范围有限且实现困难,困此认为原子分解法是小型机群系统进行分子动力学并行模拟计算的理想选择。