[发明专利]粒子输运区域分解并行计算的异步输运模拟方法和系统

说明书

一种粒子输运区域分解并行计算的异步输运模拟方法和系统，该方法包括：主进程采用多剖分结点的剖分算法将组合几何的区域剖分得到多个子区域；主进程为各区域进程分配模拟的子区域和粒子源；区域进程从所述粒子源中获取粒子，模拟粒子输运；区域进程将运动到子区域边界的粒子发送给对应的另一区域进程，或者，接收其他区域进程发送来的粒子，并根据与其他区域进程之间发送或接收的粒子数量更新所述子区域的粒子迁移记录；当子区域中没有待模拟的粒子时，区域进程将所述子区域的粒子迁移记录发送至主进程；主进程接收各区域进程的粒子迁移记录并核对，判断是否结束模拟。该方法能够避免全局通信，减少整个算法的进程等待时间，保证较高的并行效率。

技术领域

本申请涉及蒙特卡罗粒子输运模拟技术领域，尤其涉及一种用于蒙特卡罗粒子输运区域分解并行计算的异步输运模拟方法和系统。

背景技术

在核反应堆设计、临界安全分析及屏蔽计算中，粒子(中子及光子)输运求解是数值模拟计算的核心。粒子输运理论是研究微观粒子(中子、光子等)在介质内运动(包括产生、迁移、发生核反应等)的过程和规律的理论。蒙特卡罗(Monte Carlo，简称MC)粒子输运方法也称随机模拟法或统计实验法，是在计算机上对粒子行为进行随机模拟的一种计算方法。蒙特卡罗方法是粒子输运理论中一种常用的数值模拟方法，首先，它建立真实介质(包括几何形状和介质核素组成)的仿真模型，然后模拟大量粒子在介质中的运动(包括粒子产生、迁移、与介质的原子核发生碰撞等物理过程)并进行适当的记录，最后对所有粒子产生的记录进行统计分析，获取数值结果。

由于蒙特卡罗方法采用解析的组合几何描述方式建立介质的几何形状而不进行离散，因此几何形状近似很小；采用连续能量点截面的能量处理方式，采用随机数确定粒子与介质核素反应类型等，物理模型机制完善，因此在核反应堆物理分析领域的应用越来越受到科研工作者的重视，被誉为反应堆数值模拟的终极方法。

蒙特卡罗方法需要模拟大量粒子(千万乃至亿量级)，串行程序都是逐个模拟，粒子模拟过程占据的模拟时间很长。但实际上粒子彼此之间是相互独立的，具有天然的并行性，可通过并行计算来解决：设有N个进程，每个进程都复制整个介质模型，然后每个进程分配1/N个粒子进行模拟，最后把记录结果整合到一起进行统计分析获得结果，如此可节省大量的模拟时间。基于粒子并行的蒙特卡罗方法通常会获得很好的并行效率，是蒙特卡罗粒子输运模拟最传统的并行方法。

然而，随着数值模拟在不断深入和物理建模精细化的要求，核反应堆领域提出了全堆芯精细数值模拟，介质模型含有上千万个几何体，每个几何体内包含数百种核素，整个介质模型内存需求达到了数十G以上，远超过目前计算机的CPU核所配比的内存容量，一个进程分配的内存容量无法复制整个介质模型，导致无法采用粒子并行的蒙特卡罗方法实现计算。

因此需要发展蒙特卡罗粒子输运的区域分解并行计算方法，将整个介质模型进行区域剖分，分成多个子区域，分布存储在多个进程配比的内存空间上，多个进程实现并行计算。如此某个进程在模拟粒子在介质中的运动时就会出现粒子离开本地的子区域而进入其他子区域的情况，这就需要该进程把粒子发送给其他进程。蒙特卡罗粒子输运的区域分解并行计算必然引入模拟粒子过程中的传递粒子的通信，若是处理不好会大大降低并行效率。

目前，在热辐射输运的隐式蒙特卡罗(Implicit Monte Carlo，简称IMC)方法中，已经有针对区域分解并行计算的输运算法及成熟程序，如美国的KULL程序和Milagro程序。

KULL程序是美国LLNL实验室开发的辐射输运模拟程序，其IMC软件包可实现区域分解并行计算，粒子输运算法是在所有进程完成本地子区域的粒子模拟后，进行进程之间的传递粒子通信，是同步通信算法。