本文關(guān)鍵詞：基于MPI的三維枝晶生長(zhǎng)相場(chǎng)模型模擬研究

  更多相關(guān)文章： 相場(chǎng)法 枝晶生長(zhǎng) 數(shù)值模擬 MPI MPI+Open MP

【摘要】：隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和計(jì)算材料科學(xué)的進(jìn)步,數(shù)值模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)了二元合金晶體生長(zhǎng)微觀結(jié)構(gòu)的研究。相場(chǎng)法作為目前最有效的微觀組織數(shù)值模擬方法之一,采用相場(chǎng)法模擬二元合金凝固過(guò)程已成為金屬材料微觀結(jié)構(gòu)模擬研究的一個(gè)熱門研究方向。然而,由于二元合金的相場(chǎng)模型包含的變量繁多且復(fù)雜,傳統(tǒng)的串行程序受制于程序本身靜態(tài)內(nèi)存的大小,相場(chǎng)規(guī)模無(wú)法擴(kuò)大,使得二元合金相場(chǎng)模型的研究大部分還停留在二維階段,同時(shí)計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)、計(jì)算效率低也成為三維模擬的瓶頸問(wèn)題,所以如何大幅度地增加相場(chǎng)規(guī)模、減少計(jì)算時(shí)間、提高計(jì)算效率成為二元合金相場(chǎng)模擬研究中急需解決的問(wèn)題。近年來(lái),隨著多核計(jì)算機(jī)集群的普及,單機(jī)無(wú)法解決的大規(guī)模計(jì)算任務(wù)可以在集群環(huán)境下被很好地解決。其中就需要用到消息傳遞模式,MPI作為最流行的消息傳遞設(shè)計(jì)平臺(tái),已經(jīng)被應(yīng)用到許多方面。本文就是采用MPI并行技術(shù)來(lái)解決二元合金相場(chǎng)模型模擬研究中的問(wèn)題,主要開展了以下研究工作:(1)本文采用MPI并行技術(shù)實(shí)現(xiàn)了二元合金相場(chǎng)模型的并行化,通過(guò)并行模擬結(jié)果和串行模擬結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了并行模擬結(jié)果的可靠性和有效性;模擬規(guī)模從2503個(gè)網(wǎng)格擴(kuò)大到1000×1000×500個(gè)網(wǎng)格,大尺度地實(shí)現(xiàn)了二元合金三維枝晶生長(zhǎng)形態(tài)的模擬研究,并對(duì)大規(guī)模的二元合金三維枝晶的生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行分析。(2)通過(guò)多組MPI并行加速實(shí)驗(yàn)得出:組通信的并行加速比最高可以達(dá)到15.45倍,要高于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的10.06倍,組通信最大模擬規(guī)模與串行程序最大模擬規(guī)模相同,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模擬規(guī)模隨著進(jìn)程數(shù)的增加而增大;在多種MPI計(jì)算域劃分方式中,按行劃分的計(jì)算效率最高,加速效率隨著沿x軸劃分次數(shù)的減少而降低。(3)將基于MPI+Open MP混合編程技術(shù)模擬出的結(jié)果圖與純MPI并行技術(shù)的模擬結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證其可靠性和有效性;同等條件下,將兩種并行技術(shù)的加速效果進(jìn)行比較,結(jié)果證明:在同等條件下,基于MPI+Open MP混合編程技術(shù)的加速比要高于純MPI并行技術(shù)的加速比;通過(guò)對(duì)MPI+Open MP并行技術(shù)最優(yōu)進(jìn)程數(shù)和線程數(shù)的分析,得出以下規(guī)律:在進(jìn)程數(shù)為偶數(shù)時(shí),其最優(yōu)線程數(shù)也為偶數(shù);進(jìn)程數(shù)為奇數(shù)時(shí),最優(yōu)線程數(shù)的奇偶性沒有特殊規(guī)律。
【關(guān)鍵詞】：相場(chǎng)法 枝晶生長(zhǎng) 數(shù)值模擬 MPI MPI+Open MP
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG111.4
【目錄】：

• 摘要7-8
• Abstract8-13
• 第1章 緒論13-17
• 1.1 課題的研究背景及意義13-14
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-15
• 1.3 研究課題的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)15-16
• 1.4 論文結(jié)構(gòu)安排16-17
• 第2章 并行編程原理17-36
• 2.1 并行計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)介17-22
• 2.1.1 對(duì)稱多處理機(jī)18-19
• 2.1.2 分布式共享存儲(chǔ)多處理機(jī)19-20
• 2.1.3 大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)20-21
• 2.1.4 機(jī)群系統(tǒng)21-22
• 2.2 MPI并行技術(shù)22-30
• 2.2.1 MPI簡(jiǎn)介22-23
• 2.2.2 MPI并行程序結(jié)構(gòu)23-25
• 2.2.3 MPI通信模式25-29
• 2.2.4 多核機(jī)群環(huán)境下的MPI程序優(yōu)化29-30
• 2.3 MPI+Open MP混合編程技術(shù)30-35
• 2.3.1 Open MP簡(jiǎn)介30-33
• 2.3.2 Open MP+MPI混合并行模型33-34
• 2.3.3 Open MP+MPI混合編程模型的優(yōu)缺點(diǎn)34-35
• 2.4 本章小結(jié)35-36
• 第3章 相場(chǎng)法理論及模型36-42
• 3.1 相場(chǎng)法基本理論36
• 3.2 相場(chǎng)模型及其離散過(guò)程36-41
• 3.2.1 相場(chǎng)模型36-38
• 3.2.2 熱擾動(dòng)38
• 3.2.3 相場(chǎng)參數(shù)的確定38-39
• 3.2.4 控制方程的離散39-40
• 3.2.5 初始條件和邊界條件40-41
• 3.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境41
• 3.4 本章小結(jié)41-42
• 第4章 三維枝晶生長(zhǎng)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果42-60
• 4.1 三維相場(chǎng)模型的并行實(shí)現(xiàn)42-48
• 4.1.1 空間計(jì)算模型42
• 4.1.2 計(jì)算域的劃分42-46
• 4.1.3 三維相場(chǎng)模型基于MPI的并行實(shí)現(xiàn)46-47
• 4.1.4 三維相場(chǎng)模型基于MPI+Open MP的并行實(shí)現(xiàn)47-48
• 4.2 三維相場(chǎng)模型模擬實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析48-59
• 4.2.1 三維相場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)模擬結(jié)果48-53
• 4.2.2 基于MPI的加速實(shí)驗(yàn)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的加速實(shí)驗(yàn)57-59
• 4.3 本章小結(jié)59-60
• 總結(jié)與展望60-61
• 參考文獻(xiàn)61-66
• 致謝66-67
• 附錄A 攻讀碩士學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文67

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