基于MPI的三维枝晶生长相场模型模拟研究

发布时间：2017-10-27 09:10

  本文关键词：基于MPI的三维枝晶生长相场模型模拟研究

  更多相关文章： 相场法 枝晶生长 数值模拟 MPI MPI+Open MP

【摘要】：随着信息技术的快速发展和计算材料科学的进步,数值模拟技术实现了二元合金晶体生长微观结构的研究。相场法作为目前最有效的微观组织数值模拟方法之一,采用相场法模拟二元合金凝固过程已成为金属材料微观结构模拟研究的一个热门研究方向。然而,由于二元合金的相场模型包含的变量繁多且复杂,传统的串行程序受制于程序本身静态内存的大小,相场规模无法扩大,使得二元合金相场模型的研究大部分还停留在二维阶段,同时计算时间长、计算效率低也成为三维模拟的瓶颈问题,所以如何大幅度地增加相场规模、减少计算时间、提高计算效率成为二元合金相场模拟研究中急需解决的问题。近年来,随着多核计算机集群的普及,单机无法解决的大规模计算任务可以在集群环境下被很好地解决。其中就需要用到消息传递模式,MPI作为最流行的消息传递设计平台,已经被应用到许多方面。本文就是采用MPI并行技术来解决二元合金相场模型模拟研究中的问题,主要开展了以下研究工作:(1)本文采用MPI并行技术实现了二元合金相场模型的并行化,通过并行模拟结果和串行模拟结果的对比,验证了并行模拟结果的可靠性和有效性;模拟规模从2503个网格扩大到1000×1000×500个网格,大尺度地实现了二元合金三维枝晶生长形态的模拟研究,并对大规模的二元合金三维枝晶的生长状态进行分析。(2)通过多组MPI并行加速实验得出:组通信的并行加速比最高可以达到15.45倍,要高于点对点通信的10.06倍,组通信最大模拟规模与串行程序最大模拟规模相同,点对点通信模拟规模随着进程数的增加而增大;在多种MPI计算域划分方式中,按行划分的计算效率最高,加速效率随着沿x轴划分次数的减少而降低。(3)将基于MPI+Open MP混合编程技术模拟出的结果图与纯MPI并行技术的模拟结果对比,验证其可靠性和有效性;同等条件下,将两种并行技术的加速效果进行比较,结果证明:在同等条件下,基于MPI+Open MP混合编程技术的加速比要高于纯MPI并行技术的加速比;通过对MPI+Open MP并行技术最优进程数和线程数的分析,得出以下规律:在进程数为偶数时,其最优线程数也为偶数;进程数为奇数时,最优线程数的奇偶性没有特殊规律。
【关键词】：相场法 枝晶生长 数值模拟 MPI MPI+Open MP
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG111.4
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-13
• 第1章 绪论13-17
• 1.1 课题的研究背景及意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-15
• 1.3 研究课题的主要内容和创新点15-16
• 1.4 论文结构安排16-17
• 第2章 并行编程原理17-36
• 2.1 并行计算机简介17-22
• 2.1.1 对称多处理机18-19
• 2.1.2 分布式共享存储多处理机19-20
• 2.1.3 大规模并行计算机系统20-21
• 2.1.4 机群系统21-22
• 2.2 MPI并行技术22-30
• 2.2.1 MPI简介22-23
• 2.2.2 MPI并行程序结构23-25
• 2.2.3 MPI通信模式25-29
• 2.2.4 多核机群环境下的MPI程序优化29-30
• 2.3 MPI+Open MP混合编程技术30-35
• 2.3.1 Open MP简介30-33
• 2.3.2 Open MP+MPI混合并行模型33-34
• 2.3.3 Open MP+MPI混合编程模型的优缺点34-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第3章 相场法理论及模型36-42
• 3.1 相场法基本理论36
• 3.2 相场模型及其离散过程36-41
• 3.2.1 相场模型36-38
• 3.2.2 热扰动38
• 3.2.3 相场参数的确定38-39
• 3.2.4 控制方程的离散39-40
• 3.2.5 初始条件和边界条件40-41
• 3.3 实验环境41
• 3.4 本章小结41-42
• 第4章 三维枝晶生长模拟实验结果42-60
• 4.1 三维相场模型的并行实现42-48
• 4.1.1 空间计算模型42
• 4.1.2 计算域的划分42-46
• 4.1.3 三维相场模型基于MPI的并行实现46-47
• 4.1.4 三维相场模型基于MPI+Open MP的并行实现47-48
• 4.2 三维相场模型模拟实验及结果分析48-59
• 4.2.1 三维相场和溶质场模拟结果48-53
• 4.2.2 基于MPI的加速实验53-56
• 4.2.3 MPI和Open MP的加速效率分析56-57
• 4.2.4 基于MPI+Open MP的加速实验57-59
• 4.3 本章小结59-60
• 总结与展望60-61
• 参考文献61-66
• 致谢66-67
• 附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文67

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本文编号：1102824