[发明专利]一种用于离子推进器数值模拟的电荷交换碰撞MCC方法

摘要

本发明涉及离子推进器数值模拟领域，具体为一种用于离子推进器数值模拟的电荷交换碰撞MCC方法。本发明利用离子推进器电荷交换碰撞的物理特点结合计算机领域的图形处理器(GPU)单指令多线程的特性，实现了离子推进器电荷交换碰撞MCC算法的单指令多数据的并行执行，极大地提高了计算效率，节约了计算时间。

主权项

1.一种用于离子推进器数值模拟的电荷交换碰撞MCC方法，具体如下：步骤1、在GPU设备端的全局内存上开辟两段存储空间；一段存储空间定义结构体数组，大小为能存储下模拟区域中离子推进器的所有粒子信息，即初始粒子的速度、位置和粒子属性标记信息，并且初始粒子属性标记均初始化为1，用1代表未参与电荷交换碰撞的快速粒子，用2代表参加电荷交换碰撞之后的慢速粒子；另一段存储空间定义一个数组，大小为粒子的个数，用来存储粒子参加电荷交换碰撞判断时所需要的随机数，并将数组内的值均赋值为0；步骤2、根据全局内存中存储的离子推进器中粒子属性标记为1的粒子个数N，调用统一计算架构平台的设备端随机数生成函数，设置随机数种子，利用GPU来产生和粒子个数N相等的随机数；每一个粒子都有一个与其对应的随机数R，用来判断该粒子是否进行电荷交换碰撞，并将所有的随机数按照数组索引的方式存放在GPU开辟的全局内存中；步骤3、在GPU端的核函数内，根据全局内存中粒子属性标记为1的粒子个数N，并结合GPU的单指令多线程特点，分配其线程块和线程网格的大小与维度，通过线程块和线程网格的大小与维度计算得到线程的索引；用一个线程映射一个粒子，使每一个粒子都有唯一的一个线程索引与其对应；用与粒子相对应的线程从全局内存中读取该粒子速度信息，根据读取得到的粒子的速度信息，由对应线程索引的线程计算出每个粒子碰撞截面，进而求得该粒子发生电荷交换碰撞的几率P；步骤4、用粒子对应的线程索引的大小去索引对应的随机数数组，得到该粒子对应的随机数R；再通过该随机数R与步骤3计算的到的该粒子发生电荷交换碰撞的几率P进行大小比较，若该粒子发生电荷交换碰撞的几率P大于其对应的随机数R，则将该粒子判断为发生电荷交换碰撞，否则将其判断为不发生电荷交换碰撞；步骤5、对于步骤4判断为发生电荷交换碰撞的粒子，做碰撞处理，即利用该粒子对应的线程去更新粒子的速度，并将该粒子的粒子属性标记为2；对于判断为不发生电荷交换碰撞的粒子，做非碰撞处理；更新所有模拟粒子的位置信息，并根据位置信息判断该粒子是否达到边界，若到达边界则删除粒子信息，不参与到下次的电荷交换碰撞判断过程中；步骤6、存储未到达边界粒子的速度、位置和粒子属性信息至GPU全局内存中，并统计粒子属性标记为1的粒子个数，更新当前时刻属性标记为1粒子个数N；步骤7、重复步骤2至6，在每个时间步长都进行离子推进器中粒子的电荷交换碰撞判断，从step＝0迭代直至达到step＝TOTAL，TOTAL为设置的总模拟时间步数；步骤8、在CPU主机端定义结构体数组，大小为GPU全局内存上存储的粒子信息容量，将步骤7计算后的结果从GPU传回CPU主机端内存中，进行数据处理和分析。