共形时域有限差分方法的并行研究及应用

发布时间：2017-08-09 04:23

  本文关键词：共形时域有限差分方法的并行研究及应用

  更多相关文章： 共形时域有限差分法 并行计算 MPI OpenACC CUDA 应用

【摘要】：近四十年时域有限差分法(FDTD)取得了快速的发展,在电磁工程领域得到了广泛的应用。但是对于一些电大尺寸和复杂结构目标的仿真计算,无论是在内存或计算时间上普通单机都显的力不从心。利用并行技术可以将多个处理器联合起来一起分析计算,且现有服务器的内存也比较大,可以满足计算需求。同时FDTD方法具有天然的并行性,非常有利于并行求解。共形时域有限差分法(CFDTD)较普通的FDTD技术有较高的精度,同时又保留了FDTD技术原理简单,易于编程实现等优点,同样有着广泛的应用。本文首先验证了CFDTD程序中金属共形和介质共形的优势,并在程序中加入了龙格库塔指数时程差分技术来分析非磁化等离子体,以提高程序的普适性。在该算法平台上,利用MPI技术来实现CFDTD程序的并行,对计算域划分时的注意点、前处理中引入八叉树的并行及电磁场更新的并行和数据通信都做了详细的介绍。并且分别通过单机和胖节点来验证并行程序的正确性和有效性。后面还利用对复杂工程模型的仿真计算来体现基于CPU并行技术的CFDTD算法在多领域中的应用价值。随着图形处理器(GPU)在运算能力方面的优势越来越明显,在计算领域也越来越受到重视。目前,通过GPU加速FDTD算法是热门的研究领域。本文主要介绍了两种不同的基于GPU加速技术在CFDTD算法上的使用。第一种是基于OpenACC的GPU加速技术,阐述了其原理和如何应用到算法程序上,它的主要特点就是提供了大量的预编译命令,方便用户通过GPU来加速程序,但是加速效果有待进一步提高。另一种是基于CUDA平台的GPU加速技术,不仅将其成功的应用到CFDTD程序中,并且根据GPU上存储器特点,针对其数据访问进行优化,充分的利用CUDA平台的优势来提高程序的加速比值。之后利用数值算例和工程算例来体现GPU加速的优势和应用前景。最后总结了全文,并提出了以后应该发展和努力的方向。
【关键词】：共形时域有限差分法 并行计算 MPI OpenACC CUDA 应用
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O441;TP338.6
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 1 绪论7-11
• 1.1 研究背景7-8
• 1.2 研究的现状及意义8-9
• 1.3 本文的主要工作及内容安排9-11
• 2 时域有限差分法的基本理论11-29
• 2.1 引言11
• 2.2 FDTD基本原理11-20
• 2.2.1 基本方程11-14
• 2.2.2 数值色散与稳定性条件14-15
• 2.2.3 截断边界条件15-16
• 2.2.4 平面波的引入16-18
• 2.2.5 近远场外推18-20
• 2.3 CFDTD的基本原理20-25
• 2.3.1 金属共形技术及验证20-22
• 2.3.2 介质共形技术及验证22-25
• 2.4 非磁化等离子体龙格库塔指数时程差分FDTD算法理论及验证25-28
• 2.5 本章小结28-29
• 3 基于CPU的CFDTD并行加速29-47
• 3.1 引言29
• 3.2 基于CPU并行的介绍29-31
• 3.2.1 并行的流程29
• 3.2.2 并行的硬\软件平台29-30
• 3.2.3 并行算法性能评估30-31
• 3.3 基于MPI的CFDTD并行技术31-35
• 3.3.1 并行区域划分31-32
• 3.3.2 CFDTD前处理并行32-34
• 3.3.3 CFDTD电/磁场迭代更新并行34-35
• 3.4 算例验证35-41
• 3.5 实例应用41-46
• 3.6 本章小结46-47
• 4 基于GPU的CFDTD并行加速47-67
• 4.1 GPU概述及软硬件平台47-48
• 4.2 基于GPU的OPENACC并行加速48-51
• 4.2.1 OpenACC并行基本知识48-49
• 4.2.2 基于OpenACC的CFDTD并行技术49-51
• 4.3 基于GPU的CUDA并行加速51-60
• 4.3.1 CUDA并行基本知识51-53
• 4.3.2 基于CUDA的CFDTD并行技术53-57
• 4.3.3 CUDA程序的优化57-58
• 4.3.4 优化前后对比58-60
• 4.4 算例验证及两种加速方法对比60-63
• 4.5 实例应用63-66
• 4.6 本章小结66-67
• 5 总结与展望67-68
• 5.1 全文总结67
• 5.2 后续工作展望67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 杨利霞;葛德彪;郑奎松;魏兵;;电各向异性介质FDTD并行算法的研究[J];电波科学学报;2006年01期

2 闫玉波,葛宁,郑美艳,葛德彪,田春明;网络并行FDTD方法分析电大目标电磁散射[J];电子学报;2003年06期

，

本文编号：643538