求解二维三温能量方程的半粗化代数多重网格法

§1.引言 二维三温辐射流体动力学方程组的求解是数值模拟的重要组成部分,而求解能量方程是一个十分重要的环节,而且在整个系统的计算中,能量方程求解所占的机时比重相当大(约80%以上).因此,寻求一个收敛快、稳定性好的二维三温能量方程数值解法是一个值得探讨的问题.二维三温能量方程可表示为非线性抛物型方程组,在二维柱对称Lagrange坐标系下,二维三温能量方程的标量式经简化得到如下方程组:

代数多重网格法在岩体力学有限元分析中的应用

代数多重网格法具有存贮量小、收敛精度高和计算时间少等优点,将代数多重网格方法引入到岩体力学有限元计算领域,论述了基于单元聚集和能量极小意义下适于岩体力学有限元求解的代数多重网格粗化策略与插值算子,并详细描述了相应的代数多重网格算法。数值试验表明:在岩体力学与工程问题的有限元数值计算中,代数多重网格求解法是高效的、适用的,较直接法和其他常用迭代方法具有明显的优越性。

基于聚集混合粗化的代数多重网格并行算法

为提高代数多重网格(algebraic multigrid,AMG)并行算法的可扩展性能,提出一种基于聚集粗化和最大独立集算法的混合并行粗化算法。在每个进程内部独立实现聚集粗化,在此基础上,进程间采用PMIS(parallel maximum independent set)算法对边界点进行修正。针对现代多核处理器,结合细粒度的并行编程模型,实现MPI+OpenMP混合编程并行算法。数值实验结果验证了该算法的有效性,对于求解二维五点Laplace方程在集群"元"上并行规模达到256核,相对于AGMG软件包求解总时间提高了74%,测试结果优于hypre软件包,可扩展到128核心。

对流扩散问题非均匀网格上的部分半粗化多重网格方法

结合非均匀网格上的HOC格式与部分半粗化的多重网格方法对具有边界层的2维对流扩散问题进行了求解,并基于面积率构造了部分半粗化多重网格方法的插值算子和限制算子.数值实验表明:对于只需要在1个方向进行网格加密的边界层问题,基于部分半粗化的网格分布策略及多重网格算法可以大大减少无边界层方向的网格数,从而较完全粗化的网格分布策略及多重网格算法具有更高的计算精度和求解效率.

求解二阶变系数椭圆边值问题的代数两网格法

通过设计一种简洁的粗化算法和一种有效的插值算子,构造一种代数两网格法.数值实验表明,对于变系数椭圆边值问题、间断系数椭圆边值问题、各向异性的椭圆边值问题,与通常的代数两网络法相比,新算法计算量更少,计算时间更短,稳健性更强.

ATV模型的非线性多重网格法

自适应全变分(adaptive total variation,ATV)模型可以利用差分曲率自适应地选择基于Lp范数的正则项,并且能自适应调节正则项与保真项的权重,能够有效地去除噪声和保持图像边缘.使用半隐式梯度下降法求解ATV模型时,误差的高频分量会快速衰减而低频分量却衰减缓慢,从而导致收敛速度缓慢.为了加快低频误差衰减的速度,利用半隐式梯度下降法设计了光滑化方法,构造了求解ATV模型的非线性多重网格法,并通过与不动点迭代法、半隐式梯度下降法的对比实验,验证了新方法的去噪效果更好且计算速度更快.

岩石力学三维有限元分析的代数多重网格求解法

多重网格法是一种求解由偏微分方程边值问题所导出的代数方程组的快速算法,几何多重网格法存在某些缺陷,影响它的推广应用。采用代数多重网格法求解岩石力学三维有限元离散线性方程组,简要介绍代数多重网格三维粗网格形成方法与三维插值算子,利用研制的基于代数多重网格法的三维有限元程序进行—系列数值试验。结果表明：代数多重网格法求解各种复杂计算条件下岩石力学三维有限元方程时具有良好的收敛特性和较强的适应能力,计算效率远高于直接法求解器,为大规模岩土工程三维有限元分析提供一种快速有效的方法。

基于非等距网格高阶紧致差分格式的多重网格算法研究

本文结合非等距网格高精度紧致差分格式的优越性与多重网格方法的快速收敛性,求解二维对流扩散方程。研究结果表明,对于处理物理量在不同的空间方向呈现不同的性态特征或不同变化规律的物理问题时,用非等距网格离散的四阶紧致格式的多重网格算法和二阶中心差分格式的多重网格算法都比等距网格离散得高效。同时,在非等距网格下,部分半粗化多重网格算法比完全粗化多重网格算法具有更高的计算效率。针对不同的松弛算子对误差残量的磨光效果比较研究表明,线松弛算子是最高效的。而且,非等距网格离散的高精度紧致格式的多重网格算法对于对流扩散问题中大网格雷诺数情形也是收敛的。

一种新的并行代数多重网格粗化算法

近年来,受实际应用领域中大规模科学计算问题的驱动,在大规模并行机上实现代数多重网格(AMG)算法成为数值计算领域的研究热点。本文针对经典AMG方法,提出一种新的并行网格粗化算法——多阶段并行RS算法(MPRS)。我们将新算法集成到了高性能预条件子软件包Hypre中。大量数值实验结果显示,新算法适合更广泛的问题,相对其他并行粗化算法,明显地改善了AMG并行计算的可扩展性。对三维27点格式有限差分离散的Poisson方程,在64个处理机上并行AMG求解,含8百万个未知量,新算法比RS3算法减少了近60的三维Poisson方程,近32万个未知量,在16个处理机上并行AMG-GMRES求解,新算法所需的迭代步数大约为其他粗化算法的一半,显示了很好的算法可扩展性。

基于局部松弛和粗化策略的代数多重网格方法

受强振荡、间断系数和非均匀网格步长的影响,由偏微分方程离散所得的稀疏线性代数方程组的系数矩阵呈现多尺度性质,即同一行的非对角元素可相差几个数量级,使得经典代数多重网格(AMG)算法难以适应.本文提出一种新的AMG方法(LRC-AMG),基于强弱相邻关系分离某些具有特殊性质的点结成网格子块,仅在局部块内进行光滑和粗化,可有效地消除多尺度性对收敛速度的影响.数值实验在文中给出.

求解静电场偏微分方程的新代数多重网格法

多重网格法是求解偏微分方程大规模离散化方程最有效的方法,针对静电场偏微分方程,讨论一致线性有限元剖分下的拉格朗日有限元方程的代数多重网格法,给出了一种新的粗化算法和构造插值算子的途径。数值实验表明,新的代数多重网格法的有效性。

基于局部信息优先的代数多重网格粗化策略

网格粗化是实施代数多重网格方法的重要步骤之一。在网格粗化过程中,当出现多个最大集合势相同的网格点时,经典网格粗化策略中的集合势并不能精确表征网格点的整体强弱连接强度,导致网格粗化路径不唯一并影响后续求解阶段的计算效率。为克服这一不足,本文提出了一种基于局部信息优先原则的网格粗化策略,并发展了基于局部信息的整体强弱连接系数判别法和基于局部信息的二次粗化阈值判别法两种实施方法。数值计算表明:与经典网格粗化策略相比,本文提出的网格粗化策略可精确表征网格点之间的整体强弱连接强度,有效优化网格粗化路径,并在一定程度上提高了求解阶段的计算效率。

求解静电场问题的新瀑布型代数二重网格法

针对静电场离散化代数方程组,通过选用一种快速的粗化算法,提出一种新的插值算子,构造一种新的瀑布型代数二重网格法。数值实验表明新算法大大减低了计算时间。

三温能量方程离散线性系统的两层迭代算法收敛因子估计及特征分析

基于代数多重网格(AMG)方法的理论框架,详细分析基于物理量粗化的两层迭代方法(PCTL)算法的具体收敛性质,刻画算法收敛因子的合理上界,为PCTL算法提供理论保证。进一步深入分析影响PCTL算法收敛速度的代数特征,如对角占优性和耦合强度,为PCTL算法的应用和算法调优提供了理论指导。