无量纲最小二乘有限元法GPU实现及其在变压器绕组流场仿真中的应用研究

为了提高变压器流体场的计算效率,利用统一计算设备架构(compute unified device architecture,CUDA)实现流场的并行计算。首先基于C语言实现无量纲最小二乘有限元法的串行计算方法。然后在Visual Studio 2019+CUDA 10.2的环境下实现并行运算,对于串行程序中最耗时的线性方程组求解部分调用了CUDA自带的函数库进行优化;在大规模模型的数值计算中使用了十字链表格式存储整体刚度阵形成时的非零元素,以解决满阵存储时的内存不足问题。为验证所提方法的有效性,针对方腔模型,分析了不同剖分网格数量下的加速比,分析结果表明,数据规模越大并行效果越好,验证了无量纲最小二乘有限元并行程序的准确性和高效性。最后将该方法应用到大型变压器绕组的流体场分析中,取得了18.3倍的加速效果,为产品级变压器的流体场仿真奠定了基础。

π形山脉主山脊线风速加速效应研究

为研究真实地形的加速效应,提取真实地形的几何特征建立理想简化地形,提出一种π形山脉模型.采用CFD数值模拟研究顺子山脉风向下子山脉间距、长度及坡度对主山脊线加速效应的影响,结合地形特征比较π形山脉与三维余弦山脉的主山脊线加速比差异,在后者基础上获得π形山脉主山脊线特征点的风速加速比简化计算公式,并通过一处真实π形山脉加以验证.结果表明:π形山脉主山脊线中点的加速比受子山脉间距、长度影响较大,而山脊线交点的加速比受子山脉长度、坡度影响较大;与三维余弦山脉相比,π形山脉主山脊线加速比在山脊线端部相同,但整体偏小,尤其受子山脉遮挡的部分显著偏小,超过离地70 m高度后差异基本消失;通过与真实π形山脉的风场比较,发现简化地形和简化计算公式能较好反映真实地形主山脊线特征点的加速效应.

掺氢天然气管网数值仿真轻量化算法

目前针对管网数值仿真算法的优化主要集中在代数方程组的求解上。针对管网流动数值仿真算法提升计算效率方案中缺少针对封闭关系与状态方程的优化,分析了目前优化方案各模块的耗时情况,发现了仿真程序中耗时模块为封闭关系与状态方程求解。最后,结合计算机库函数的缺点以及现代CPU中SIMD (Single Instruction Multiple Data)模型的特点,提出了针对封闭关系与状态方程的轻量化算法,并验证了算法的高效性。研究结果表明:(1)封闭关系与状态方程模型中的耗时原因为直接调用库函数的次幂运算、指数运算、对数运算以及除法运算;(2)由于次幂运算效率远低于其他运算,通过变换消除了模型中几乎所有的次幂运算;(3)利用SIMD指令来计算指数运算与对数运算,实现了在单核CPU上同时计算多个数据的指数与对数,最后通过数学变换将所有除法转换为乘法;(4)轻量化算法加速效果显著,其整体加速比为18,而在状态方程求解模块的加速比更是高达70以上。结论认为,该轻量化算法在不影响计算精度的条件下提高了计算速度,对于提高掺氢天然气管网在线仿真与智能管网的建设具有重要的理论价值和技术支撑。

基于区域分解法的电磁场并行计算研究

针对有限元法求解大规模电磁场问题时常常受单机计算速度和内存限制的问题,考虑运用并行求解的解决方法。在论述了适合并行求解的区域分解法的原理后,建立了二维静电场问题的模型;运用区域分解法对模型进行了区域划分;基于6台高性能PC机搭建的分布式并行系统,运用并行共轭梯度法(CG)对有限元线性方程组进行并行求解,取得了较高的效率加速比。对于自由度多达百万的大规模问题,该并行求解大大提高了计算速度,为并行求解三维电磁场奠定了基础。

基于图形处理器的电力系统稀疏线性方程组求解方法

针对电力系统大规模线性方程组的稀疏特点,提出了基于图形处理器（GPU）的直接求解方法。该方法首先利用基于先排序的分块对角加边形式（BBDF）划分方法对方程组系数矩阵进行分割,形成具有粗粒度和细粒度两层并行结构的线性方程组,然后利用GPU的线程块和线程并行特性对其分别予以求解。将上述方法应用到电力系统暂态稳定计算中,并对其加速效果进行了测试。测试结果表明,在目前普及的设备上,所提方法可获得3~4倍的加速比;在高端设备上,能够获得7~8倍的加速比。

天气雷达资料实时并行处理方法

利用共享存储多处理器的集群环境,研究高频度实时多部天气雷达资料处理的并行计算方法,根据单部天气雷达的计算特点和多部雷达混合处理的方法,提出一种粗粒度消息传递接口分布式内存和细粒度OpenMP共享内存混合编程的2级并行方法。实验结果表明,该方法使系统资料处理速度得到较大提高。

基于DEM的分布式并行通视分析算法研究

从负载均衡的角度详细分析了数据并行的特征,提出一种通用且有效数据可达的DEM数据划分策略。基于该方法设计了分布式并行通视分析算法,以全国90mSRTM作为数据源,对算法的执行效率进行实验,结果表明:基于海量地形数据进行分布式并行通视分析的计算效率与进程数具有一定的关系。另外,算法的并行性能在一定程度上受到地形数据的影响。该文提出的方法有效地提高了海量数据的通视分析算法的计算效率,动态数据划分方案有望为并行环境下地形分析提供新的思路。

二维叠前深度偏移的并行算法

王真理，杨长春，张洪审，张得顺，符基昕，匡兵，王建立．二维叠前深度偏移的并行算法．石油地球物理勘探，1997，32（6）：784～788，817鉴于PVM软件是一种几乎能够在所有流行的计算机体系结构上运行的并行环境，本文提出了单程序多数据流（SPMD）方式的二维叠前深度偏移的并行其法，即走时表计算采用炮点循环并行方式，成像过程采用炮检距并行算法。采用PVM并行环境提供的消息传递方式进行进程间通讯，在SGIPowerChallenge和IBMSP2两种并行机上实现了其二维叠前深度偏移的并行其法。测试结果表明：本文的二维叠前深度偏移并行化算法效率是比较高的，在SGIPowerChallenge机上，当CPU数为4时，测得的加速比达3．91，并行效率达到0．98；在IBMSP2机上，当书点数为3时，测得的加速比为2．94，效率达到0．98。

Cholesky分解并行算法的性能评测

完成对ABEEMσπ模型电荷分布计算的Cholesky分解并行算法的性能评测.在评测过程中,利用通信性能基准测试工具MPBench及其改进后的测试程序分析了该算法中的通信对并行性能的影响.分析结果表明在cpu增长到一定数目后,此算法的通信开销严重影响了并行性能的提高,应该采取相应的解决措施.

山地风场中特高压输电塔线体系动力可靠度研究

山地风场因受山体的干扰作用具有与平地风场截然不同的特征,对山地地形中结构高、跨度大和电压等级高的特高压输电塔线体系进行风振响应研究时,无法采用现有适用于平地风场的计算方法。为此,在风洞试验的基础上,首先对三类山地地形的不同工况,即单个山体的8种坡度,单个山体的3种高度以及两个山体的3种遮挡间距,对风场的影响分别进行了研究。通过对各工况下山体迎风面、山顶和背风面的平均风速加速比及湍流度的变化情况进行分析,提出了相应的修正公式,有效地考虑山地地形对风场的影响,得到了各工况下山地风场的平均特性和脉动特性。然后,基于试验数据及风场模型采用有限元计算理论对特高压输电塔线体系在各工况的风场条件下进行动力时程分析,并根据随机结构动力可靠度计算方法分别计算出各工况下特高压输电塔体的动力可靠度。最后,通过对比分析发现了不同山地地形条件下各工况中迎风面、山顶及背风面的不同位置输电塔体动力可靠度的变化规律。

地下水流动三维有限差分模型并行计算

基于高速内联网落InfiniBand构建(IBA),采用分布式虚拟共亨内存(DVSM),利用Linux PC机群系统,根据地下水流动的有限差分模型MODFLOW,通过并行计算来模拟三维复杂几何形状的非均质各向异性地下孔隙介质含水系统的水流问题.对于给定的边值问题,计算出不同计算节点的加速比和效率.模拟结果显示,IBA可以通过远程直接内存访问(RDMA)和在硬件中自动运行的方式支持共亨内存进程,在DVSM系统上使计算节点与管理节点之间的通讯时间消耗最小.通过IBA,DVSM能够在很大程度上提高MODFLOW的并行计算效率.结果表明:对于1 000万有限差分计算单元,4,8,16,32,64个计算节点分别参与计算,并行效率分别为32.75%,59.63%,63.63%,58.88%,55.23%.实验证实了基于Linux PC机群系统的MODFLOW并行计算的有效性.

并行布尔模拟算法

布尔模拟是一种基于目标的模拟方法,主要用于模拟河道、泥岩夹层等具有相对简单几何形状对象的分布。地质统计学软件库(GSLIB)中的Ellipsim程序是布尔模拟的经典程序,采用Fortran编写。笔者主要介绍了如何利用Visual C#4.0和.NET Framework 4.0的并行扩展把Ellipsim从串行化模式改写为并行化模式。通过自动测试模块和耗时统计模块统计了并行化的加速比,结果表明并行后的程序在很大程度上提高了计算速度。布尔模拟的并行化方法对于其他随机模拟程序的改写具有很好的借鉴意义。

三次插值样条曲线拟合多核并行算法

充分利用多核技术提升多核处理器的资源利用率,缩短执行时间,发挥多核系统的优异性能。在多核计算机上设计了解三对角方程组的奇偶约化多线程并行程序,实现了三次样条曲线拟合的快速计算。通过实验结果的加速比对比,可以看出并行后缩短了求解方程组的时间,多核资源得到充分利用。结果表明,奇偶约化多核并行算法在三次样条曲线拟合中的应用是有效及可行的。

基于Hadoop平台的KNN分类器的优化和实现

分析了KNN分类算法的流程,然后在K值的动态获取和分类加权两个方面对分类算法进行改进;利用MapReduce编程思想完成KNN分类算法在Hadoop集群环境下的移植和实现。实验数据证明,改进后的KNN分类算法在人脸识别精度、识别效率和稳定性3个方面得到了有效提高。

信号实时采集系统的最佳并行线程数的研究

为解决多核环境下,信号采集系统的数据处理实时性问题,提高波形数据采集和数据显示速度,提出使用裸线程构建数据采集模块和数据处理模块的最佳线程分配数量的最优线程分配算法,其目的在于合理分配线程给各个模块,达到系统的最佳性能。该算法基于生产者-消费者模式、操作系统多线程时间片轮转调度策略,根据各模块的工作量酌情调节线程比例,使应用程序达到最高加速比。实验表明,在双核环境下,该最佳线程数算法计算出最佳线程组合,使采集波形数据和数据显示合理并行化,相对于其他的线程组合分配方式完成程序花费的时间更少,提高了系统加速比、运算性能以及实时性。通过最优线程分配算法,提供了最优的线程数量分配方案,提高并行程序执行效率,减少了不必要的线程开销,提高了波形信号采集实时性。

求解大规模三对角线性方程组的GaBP并行算法

根据大规模三对角线性方程组求解的特性,结合消息传递接口和开放多处理模型,设计分布式共享内存环境下求解大规模三对角线性方程组的GaBP并行算法。在Intel Xeon E5-2650并行计算集群环境上进行数值实验,结果表明,与基于消息传递接口的GaBP并行算法相比,该算法具有更高的加速比和更好的可扩展性,能充分发挥集群系统的综合计算性能,提高大规模三对角线性方程组的求解速度。

液压机械无级变速器速比跟踪控制系统研究

提出液压机械无级变速器速比跟踪控制系统的设计方法.分析了等差式液压机械无级变速器的速比特性,建立了液压机械无级变速器的变速系统模型,并通过频率特性分析对液压机械无级变速器的模型进行了简化.设计了速比跟踪控制算法,在实验台上完成了变速器的速比跟踪控制实验以及速比跟踪系统对发动机转速的调节实验.实验结果表明:液压机械无级变速器在跟踪阶跃速比时,不存在稳态跟踪误差,而在跟踪斜坡速比时,存在稳态跟踪误差;通过跟踪变速器的目标速比可以实现对发动机工作转速的调节,使其工作在最佳工作点.

基于GPU的碳纳米管分子动力学并行仿真

基于计算机的分子动力学仿真具有理论分析方法和实验方法无法比拟的优点,但分子动力学仿真算法计算量非常大,特别是在对碳纳米管的大规模粒子数进行仿真处理时,普通的基于CPU的串行算法执行效率低且耗时多。为此,提出基于统一计算设备架构的碳纳米管分子动力学的图形处理单元(GPU)并行算法,设计并实现仿真算法中适合GPU并行运算的分裂算法,将具有竞争资源的运算以非竞争方式运行。实验结果表明,与CPU串行仿真算法相比,分裂算法的运算速度较快,且在只有16个GPU流处理器显卡上可获得十多倍的加速比。

双山情况下水平风的加速效应

为获得双山情况水平风的加速效应,采用计算流体动力学(CFD)方法对左右排列、前后排列和斜列情况双山水平风的加速比和分布特征进行了研究,通过典型工况风洞试验验证了CFD模拟的准确性。研究表明:山体上水平风加速比的分布特征为山前、山顶和山后分别是减速区、最大加速位置和尾流区;左右排列双山的加速比随着山体间距的减少而增加,双山间距为0m时加速比最大,单山情况加速比最小,单山相当于双山间距无穷远情况;前后紧密排列双山情况下,前山对后山有遮挡效应,后山使得前山的水平风速略微降低,水平风速加速比呈现单山>前山>后山的规律,但三者差别较小;斜列情况下风向角对山顶水平风加速比的影响较小;山体的CFD计算结果与澳大利亚/新西兰规范比较接近,中国规范关于山体加速比的规定比较保守。

基于DEM的并行可照时间模型研究

可照时间是影响太阳辐射计算的重要参数。随着研究区域的增大、DEM分辨率与精度的不断提高,亟须借助并行技术满足用户对可照时间模拟的时间响应需求。该文针对栅格数据提出了一种通用有效的数据划分及结果融合策略,首次提出并行可照时间计算模型。实验表明该模型具有较好的可移植性,当处理节点数为64时,最优加速比高达16,在计算时间及加速比方面体现出优势。基于黄土高原地区90m×90m分辨率SRTM数据,计算了四季及全年可照时间,分析了可照时间的空间分布特征,表现为季节不对称性及非地带性分布规律。