[发明专利]在PC机上的并行化实现分子污染直接模拟蒙特卡罗方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于航天器上的分子污染直接模拟蒙特卡罗方法，特别 涉及在PC机上的并行化实现分子污染直接模拟蒙特卡罗方法。

背景技术

用于卫星整星污染模拟的直接模拟蒙特卡罗(Direct Simulation Monte  Carlo，DSMC)方法是一种昂贵的计算方法，所占内存大、运算时间长，并且， 工程应用中，航天器自身的几何结构决定了模型巨大的计算量，传统的台式计 算机串行算法很难满足运算要求。在这种情况下，并行计算显示了容量大、时 间短的优越性，不仅解决单个计算机内存不足的难题，而且大大地提高了运算 速度。这是因为：1它可以加快速度，即在更短的时间内解决相同的问题或在 相同的时间内解决更多更复杂的问题，特别是对一些新出现的巨大挑战问题， 不使用并行计算时根本无法解决的；2节省投入，并行计算可以以较低的投入 完成串行计算才能够完成的任务；3物理极限的约束，光速是不可逾越的速度 极限，设备和材料也不可能做得无限小，只有通过并行才能够不断提高速度。

发明内容

一种在PC机上并行实现分子污染直接模拟蒙特卡罗的方法，基于DSMC 方法，在整个计算区域采取区域分裂法，将区域按照Z向划分为n个节点，各 个节点只处理本节点包含的区域，计算内容完全相同，包括分子的自由运动和 与壁面的碰撞、分子由来流进入、分子间的碰撞以及宏观参数的统计；各节点 上的网格号保持不变，同时确定分子进入的区域，直接将速度、转动能量、振 动能量及分子种类标识传入该节点，节点间的信息交换只存在于相邻节点之 间；具体包括以下步骤：(1)在各节点上进行初始化工作，每个节点上的区域 信息互不相关；(2)各个节点计算分子的自由运动及与边界面的碰撞，其中与 壁面碰撞计算仅在包含壁面的节点上进行，当某分子的网格超出该节点的计算 边界，则说明该分子已经离开原来的计算区域而进入新的计算区域，根据分子 的网格编号确定出分子进入的新的计算区域；在分子原来所在区域内，将该分 子作真空边界处理，而在新的计算区域内，将该分子作为该新的计算区域的 N+1，该新的计算区域内的分子数目为N个分子处理；此处N为正整数；同时， 将该分子离开原节点的分子信息发送至新节点；(3)各节点将所有分子重新排 序；(4)各节点计算分子间的碰撞过程；(5)各节点进行宏观量的统计，之后 进行本节点下一步取样，即返回(2)；(6)当所有节点，即从节点取样次数达 到预设置，各个节点将计算结果回传到主节点上，再由主节点进行输出，结束 计算。

附图说明

根据下面提供的示例实施例的详细说明和附图，本发明可被更加充分地理解，所 述详细说明和附图仅仅是为了说明的目的，因而并非是限制本发明。

图1DSMC方法外部并行消息流程图；

图2DSMC的并行方案流程图。

具体实施方式

用于卫星整星污染的DSMC方法算例计算量很大，单台PC机已不能满 足工程化要求。因此考虑采用串行程序并行化的一个最基本原则就是要有优良 的计算通讯比，即计算量大于通讯量，这样才能有利可图；否则，虽然计算量 分配在多个计算机上，但计算机之间的通讯却占据了大部分的时间，结果反而 并行计算所耗费的时间大于串行计算，这样的并行是没有任何意义的。另外， 并行计算不能够影响到计算结果的准确性，其结果必须与串行程序的计算结果 相一致，否则，并行效率再高，也不具任何意义。DSMC方法外部并行消息流 程图如图1所示。