[发明专利]一种数值模拟计算中的负载均衡方法

说明书

本发明公开了一种数值模拟计算中的负载均衡方法，涉及稀薄气体动力学数值模拟领域，本方法利用网格剖分METIS串行库实现MPI并行DSMC方法的基于模拟粒子数分布为权重的计算网格重新剖分，并根据剖分前后网格单元的全局编号不变这一关系完成流场信息的整体映射，最终实现了DSMC方法数值模拟计算中的负载均衡。

技术领域

本发明涉及稀薄气体动力学数值模拟领域，具体地，涉及一种数值模拟计算中的负载均衡方法。

背景技术

直接模拟蒙特卡洛(Direct Simulation Monte Carlo, DSMC)方法是求解稀薄气体动力学的主要工具。这一方法直接从流动物理出发，利用大量的模拟分子来仿真真实的气体流动。与一般的计算流体力学数值格式相比，DSMC方法计算量较大，尤其是在流动的稀薄程度不是很高的情况。将这一方法应用于复杂外形时通常需要采用并行计算。常见的并行方式有MPI、OpenMP和GPU等，其中MPI的使用较为普遍。DSMC方法MPI并行程序一般采用SPMD（Single-Program Multuple-Data）的方式来进行。利用网格剖分工具METIS，将计算网格根据网格数目划分为若干个大致相等的分区，然而将这些分区加载到不同的计算进程上，网格之间的信息传递通过MPI消息来完成。这样可大大提升DSMC方法的计算效率，拓展其应用领域和范围。

然而，DSMC方法的计算负载并不由计算网格直接决定，而是主要受模拟粒子数目控制。随着计算的进行，计算区域内的模拟粒子会不断地运动、碰撞，流场结构也会动态变化直至达到定常状态。模拟粒子在高密度区域集中，而在低密度区域比较稀疏，从而造成计算负载的不平衡，影响并行计算效率。根据网格数目在计算开始时刻进行的静态分区，不能满足高效并行计算的需求。

发明内容

本发明目的是为了满足DSMC方法的高效并行计算的需求，有效的实现DSMC方法的计算负载均衡，提高并行计算的效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种数值模拟计算中的负载均衡方法，所述方法包括：

在根进程内读入网格文件，对所述网格文件进行第一次剖分，获得若干个第一分区网格文件，将若干个所述第一分区网格文件分配至各处理器进程；

各处理器进程分别读入对应的第一分区网格文件，开始气体动力数值模拟并行计算；

判断流场内的气体流动是否达到定常，当气体流动达到定常时，统计各处理器进程内网格单元的全局编号以及网格单元内的模拟粒子数目；

在根进程内，将网格单元的全局编号与网格单元内粒子数目进行匹配，获得匹配结果；

在根进程内，基于上述匹配结果以网格单元内模拟粒子数目为权重对所述网格文件进行第二次剖分，获得若干个第二分区网格文件；

统计各处理器进程内的模拟粒子信息，将所述模拟粒子信息存入第一数组；

根据所述第二次剖分的分区结果，按照各处理器进程的编号信息对所述第一数组进行排序，获得排序结果；

基于所述排序结果，将流场内的模拟粒子信息映射到对应的所述第二分区网格文件中；

各处理器进程分别读入对应的第二分区网格文件，进行气体动力数值模拟并行计算。

其中，本方法的原理为：本申请发明人研究发现DSMC方法的计算负载并不由计算网格直接决定，而是主要受模拟粒子数目控制。随着计算的进行，计算区域内的模拟粒子会不断地运动、碰撞，流场结构也会动态变化直至达到定常状态。模拟粒子在高密度区域集中，而在低密度区域比较稀疏，从而造成计算负载的不平衡，影响并行计算效率。根据网格数目在计算开始时刻进行的静态分区，不能满足高效并行计算的需求。