Pre-processing system and Feasibility of a Special-purpose Computer Cluster Design for the Particle Methods

粒子方法是一类用于研究复杂物理问题的数值模拟方法，其基本思路是将研究对象离散为大量具有特定物理意义的粒子，根据粒子间相互作用进行数值模拟，对模拟结果进行统计，复现对象的行为。 前处理是采用粒子方法进行模拟计算的前提，大规模并行计算是满足粒子模拟所需的巨大计算量的有效方法，集群系统是大规模并行计算的基础。本论文对粒子方法前处理和专用集群设计问题分别进行了研究，在前人工作基础上，实现了一套新的粒子方法数据前处理系统，可快速完成复杂算例中大量数据的前处理工作，并对一种高性价比的粒子方法专用集群设计方案进行了可行性研究和优化。 本论文的第一部分工作研究实现了一套新的粒子方法数据前处理系统。该系统包含几何建模、粒子生成、边界生成三个模块：几何建模模块基于开源项目BRLCAD，提供了图形化的交互式模拟区域实体建模功能；粒子生成模块根据用户定义的排布方式生成粒子坐标和物理参数，通过几何位置检查确保粒子位于模拟区域内，通过距离判断实现不同粒径粒子在相同区域的非重叠排布；边界生成模块将模拟区域实体模型转换为表面模型，建立模拟边界。该系统可用简单的步骤，完成复杂边界、多种粒子的复杂算例前处理工作，具有良好的扩展性。本论文通过建立煤炉膛内空气流动模拟算例的初始数据，对该系统的正确性进行了验证。 本论文的第二部分对一种粒子方法专用集群的设计方案（中国专利申请号，200710099551.8）进行了可行性研究和性能分析。该方案拟通过直接连接网络进行邻近通信，通过交换机进行全局通信。通过对粒子方法并行框架和MPI环形通信特性的分析和测试，论文给出了基于该方案的一种实际集群系统的基本配置，从而验证了该方案的可行性。针对近程通信提出了两种特殊的通信模式，均可充分利用该集群系统的带宽性能。该集群系统的设计利用粒子方法并行模拟计算的通信特性，既能满足粒子方法的通信带宽和延迟要求，又能降低集群通信设备的开销，提高了集群的性价比