二维混合模拟方法及应用

设计了一个二维混合模拟程序,并用其计算了等离子体物理中的束流不稳定性.结果表明,此程序在计算过程中使能量基本保持守恒,计算结果同理论分析及一维混合模拟结果相一致.     

二维粒子模拟方法及在空间物理中应用

在粒子模拟的PIC(particle in cell)模式中,与场有关的物理量如电磁场等分配在固定的网格点上,而粒子则可在计算区域的任意位置上.设计了一个二维三分量的粒子模拟程序,并用它计算了空间物理中两种常见的物理现象:束流不稳定性和磁场重联.在束流不稳定性问题中,一束速度为V_b=10V_A(V_A为Alfvén速度)的等离子体在背景等离子中运动,通过波粒相互作用可激发沿磁场方向传播的Alfvén波.在磁场重联问题中,具有Harris形态的电流片可自发地引起磁场重联,并且B_y分量的磁场具有四极形分布.     

二维等离子体模拟粒子云网格方法的并行计算与性能分析

在共享和分布式存储两种并行计算环境下,组织了二维等离子体模拟粒子云网格法程序（２ＤＣＩＣ）的并行计算。首先,通过分析串行算法和２ＤＣＩＣ程序的单机执行特征,设计了并行算法和实现策略;然后,基于共享存储和消息传递现任中并行程序设计方式,在四种共享和颁式存储并行机上,组织了具体的并行计算,对性能结果进行了的比较分析,获得也若干重要的结论。     

3维并行全电磁粒子模拟软件UNIPIC-3D

介绍了自行研制的3维并行全电磁粒子模拟软件UNIPIC-3D。在该软件中,电磁场量用二阶精度的时域有限差分方法迭代,粒子用相对论牛顿-洛仑兹力方程推进。该软件拥有复杂器件的几何建模和网格自动剖分的功能,具有模拟相对论返波管、虚阴极振荡器、磁绝缘线振荡器等高功率微波器件的能力。且该软件具有强大的后处理功能,可以显示电场、磁场、电流、电压、功率、频谱、粒子相空间等。在高性能并行计算机上对软件的并行效率进行了测试。通过与2.5维UNIPIC软件的结果进行比较,验证了UNIPIC-3D软件的正确性。     

3维并行全电磁粒子模拟软件UNIPIC-3D

介绍了自行研制的3维并行全电磁粒子模拟软件UNIPIC-3D。在该软件中,电磁场量用二阶精度的时域有限差分方法迭代,粒子用相对论牛顿-洛仑兹力方程推进。该软件拥有复杂器件的几何建模和网格自动剖分的功能,具有模拟相对论返波管、虚阴极振荡器、磁绝缘线振荡器等高功率微波器件的能力。且该软件具有强大的后处理功能,可以显示电场、磁场、电流、电压、功率、频谱、粒子相空间等。在高性能并行计算机上对软件的并行效率进行了测试。通过与2.5维UNIPIC软件的结果进行比较,验证了UNIPIC-3D软件的正确性。     

激光等离子体二维相对论电磁粒子模拟

研制了激光等离子体二维相对论电磁粒子模拟程序(2DCIC)。追踪几万甚至百万个模拟粒子在外加激光场和自洽场中运动,自洽地计算电荷和电流密度,求解完全的Maxwel方程,电子的相对论运动方程和离子的牛顿运动方程,辅以灵活的诊断研究波-波,波-粒子相互作用的发生、发展和饱和的细节以及时间演化规律。激光可以正入射,也可以斜入射;等离子体可以是均匀密度,也可以具有密度梯度;为了节约机时,还发展了并行运算。物理模型参数可调,既适用于研究激光聚变等离子体相互作用,也适用于超短脉冲超强激光等离子体相互作用和其它等离子体问题。经过多次试算检验,对等离子体平衡态进行了计算研究,对于超短脉冲超强激光的传播也进行了初步模拟计算。     

二维双流不稳定性静电粒子模拟

为研究双温电子等离子体中束流不稳定性的演化过程,用二维粒子模拟(PIC)代码对双温电子束流不稳定性进行了模拟,其中泊松方程用松弛迭代法求解,代码满足电荷守恒、动量守恒和能量守恒条件。在电子双流不稳定性的非线性演化过程中,得到相空间的空洞结构,实空间也相应出现了电子空洞。给出了不稳定性增长率以及相应色散关系。     

托卡马克等离子体内部输运垒触发机制的数值模拟和并行效率

对托卡马克等离子体内部输运垒触发机制的动力学特征进行了数值模拟,通过区域分解法实现了数值模拟程序并行化,并行效率随计算机规模的增加而提高,结果与理论分析相吻合.并行模拟程序也适合MHD非线性撕裂模的数值求解.     

等离子体束流不稳定性的计算机模拟

本文用数值模拟检验束流不稳定性的增长率随ｋｖｂｏ／ωｐｅ的变化，并与线笥理论的曲线进行对比。数值模拟的束流密度与背景电子密度之比为０．１２５。数值模拟的结果说明，两者相符较好。     

增强辉光放电等离子体离子注入的三维PIC／MC模拟

采用三维粒子模拟／蒙特卡洛模型自洽地模拟了增强辉光放电等离子体离子注入过程中离子产生和注入,获得了放电空间的离子总数、电势分布、等离子体密度分布和离子入射剂量等信息．模拟结果表明,5μs时鞘层达到稳定扩展,15μs时离子的产生与注入达到平衡,证实了增强辉光放电等离子体离子注入能在一定条件下实现白持的辉光放电．注入过程中,在点状阳极正下方存在一个高密度的等离子体区域,证实了电子聚焦效应．除靶台边缘外,离子的注入速率稳定且入射剂量均匀．脉冲负偏压提高时注入速率增加但入射剂量的均匀性变差．     

粒子模拟程序的发展及其在激光等离子体相互作用研究中的应用

介绍针对超短超强激光脉冲与等离子体相互作用研究的多维粒子模拟程序KLAP.在其一维程序KLAP1D中,考虑场电离、碰撞离化及两体碰撞效应后,程序可以用于研究短脉冲激光与中性物质的相互作用.在其三维程序KLAP3D中,为了研究加速能量达GeV的长距离激光尾波场加速问题,程序采用移动窗口技术,使得模拟尺度可以达到厘米量级.同时介绍了利用KLAP程序得到的有关THz辐射、激光与中性气体相互作用中的脉冲及离化波前演化、激光固体靶作用中表面电子加速及激光尾波场加速的研究实例.     

激光自聚焦和成丝模拟中的并行计算方法

已编制完成三维非线性流体力学与激光传播耦合并行模拟程序,用以研究高强度激光在稀疏等离子体中的自聚焦和成丝不稳定性形成机制.介绍该三维并行程序中所使用的数值方法和并行算法.     

基于第一性原理量子输运模拟的并行计算

为了解决基于第一性原理分析计算大尺度量子输运体系时遇到的耗时长久问题,挖掘密度泛函理论与非平衡格林函数相结合方法(DFT+NEGF方法)在自洽迭代过程中的计算热点,就计算电子密度矩阵时的能量点积分和计算格林函数时的矩阵求逆/乘法运算提出MPI/Open MP并行计算方案.能量点积分采用MPI多进程并行方案,在数据初始化时需要将稀疏矩阵和积分能量点依照轮询调度算法分配给各进程.矩阵求逆/乘法的并行化既可调用ScaLAPACK子程序实现又可调用IntelMKL数学库中的OpenMP多线程加速函数实现.由于不同能量点计算的独立性,能量点积分采用的MPI并行计算获得近乎线性的加速比曲线.由于Open MP多线程并行采用的是基于共享内存的数据交换机制以及线程间切换通信开销小,矩阵求逆/乘法运算的OpenMP并行实现在计算效率上要优于而在程序的可扩展性上要劣于MPI多进程并行实现.     

Study of MPI based on parallel MOM on PC clusters for EM-beam scattering by 2-D PEC rough surfaces

This paper firstly applies the finite impulse response filter (FIR) theory combined with the fast Fourier transform (FFT) method to generate two-dimensional Gaussian rough surface. Using the electric field integral equation (EFIE), it introduces the method of moment (MOM) with RWG vector basis function and Galerkin's method to investigate the electromagnetic beam scattering by a two-dimensional PEC Gaussian rough surface on personal computer (PC) clusters. The details of the parallel conjugate gradient method (CGM) for solving the matrix equation are also presented and the numerical simulations are obtained through the message passing interface (MPI) platform on the PC clusters. It finds significantly that the parallel MOM supplies a novel technique for solving a two-dimensional rough surface electromagnetic-scattering problem. The influences of the root-mean-square height, the correlation length and the polarization on the beam scattering characteristics by two-dimensional PEC Gaussian rough surfaces are finally discussed.     

基于GPU的高性能并行计算技术

针对NVIDIA CUDA(Compute Unified Device Architecture)架构的第三代GPU高性能计算技术开展了研究,利用具有448个处理核心的NVIDIA GPU GTX470实现了脉冲压缩雷达的基本数据处理算法,包括脉冲压缩算法与相参积累算法。根据GPU的并行处理架构,将脉冲压缩、相参积累完成了并行算法优化设计,有效的将算法映射到GPU GTX470的448个处理核心中,完成了脉冲压缩雷达基本处理算法的GPU并行处理实现,并针对处理结果效果与实时性进行了评估。     

二维球坐标系中子输运方程的一种并行SN算法

针对二维球坐标系下中子输运方程的SN算法, 提出基于(单元, 方向)二元组的有向图模型, 在已有的基于有向图的并行流水线算法基础上, 设计粒度可控多级并行SN算法。其中, 采用区域分解和并行流水线相结合的方式挖掘空间-角度方向的并行度, 提出能群流水并行方法, 并通过设置合适的流水线粒度来平衡有向图调度、通信和空闲等待开销。实验结果表明: 该算法可以有效地求解二维球坐标系下的中子输运方程。在某国产并行机1920核上, 对于96万网格、60个方向、24能群、数十亿自由度的典型中子输运问题, 获得了71%的并行效率。     

Parallel numerical simulations for quantized vortices in Bose--Einstein condensates

We employ the parallel computing technology to study numerically the three-dimensional structure of quantized vortices of Bose--Einstein condensates. For anisotropic cases, the bending process of vortices is described in detail by the decrease of Gross--Pitaevskii energy. A completely straight vortex and the steady and symmetrical multiple-vortex configurations are obtained. We analyse the effect of initial conditions and angular velocity on the number and shape of vortices.     

Performance Comparison and Evaluation of Options for Arranging Data in Digital Optical Parallel Computing

Performances of options for arranging data in the input images of digital optical computing are analyzed and evaluated on the basis of the characteristic functions that the authors formularized. The methods for arranging the data are classified into two options: the spatially expanded bit-pattern arrangement (SEPA) and the bit-slice arrangement (BSA). To analyze and evaluate the performance, the options are applied to the parallel operations based on the optical array logic that is a paradigm of digital parallel computing. Processing steps, storage capacity, and scale of the operation kernel required for performing various parallel operations are analyzed as the characteristic functions. The performances of the SEPA and the BSA are evaluated by comparing these functions. The features of each option are clarified and a guideline for choosing the optimal option is proposed to efficiently perform digital parallel optical operations.