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A MPI PARALLEL PRECONDITIONED SPECTRAL ELEMENT METHOD FOR THE HELMHOLTZ EQUATION
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作者 洪桃李 许传炬 《Numerical Mathematics A Journal of Chinese Universities(English Series)》 SCIE 2005年第1期56-66,共11页
Spectral element method is well known as high-order method, and has potential better parallel feature as compared with low order methods. In this paper, a parallel preconditioned conjugate gradient iterative method is... Spectral element method is well known as high-order method, and has potential better parallel feature as compared with low order methods. In this paper, a parallel preconditioned conjugate gradient iterative method is proposed to solving the spectral element approximation of the Helmholtz equation. The parallel algorithm is shown to have good performance as compared to non parallel cases, especially when the stiffness matrix is not memorized. A series of numerical experiments in one dimensional case is carried out to demonstrate the efficiency of the proposed method. 展开更多
关键词 光谱元素法 平行计算法 有限元法 矩阵 计算方法
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Two-Level Block Decompositions for Solving Helmholtz Equation via Chebyshev Pseudo Spectral Method
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作者 Hsin-Chu Chen 《Journal of Modern Physics》 2018年第9期1713-1723,共11页
In this paper, we consider solving the Helmholtz equation in the Cartesian domain , subject to homogeneous Dirichlet boundary condition, discretized with the Chebyshev pseudo-spectral method. The main purpose of this ... In this paper, we consider solving the Helmholtz equation in the Cartesian domain , subject to homogeneous Dirichlet boundary condition, discretized with the Chebyshev pseudo-spectral method. The main purpose of this paper is to present the formulation of a two-level decomposition scheme for decoupling the linear system obtained from the discretization into independent subsystems. This scheme takes advantage of the homogeneity property of the physical problem along one direction to reduce a 2D problem to several 1D problems via a block diagonalization approach and the reflexivity property along the second direction to decompose each of the 1D problems to two independent subproblems using a reflexive decomposition, effectively doubling the number of subproblems. Based on the special structure of the coefficient matrix of the linear system derived from the discretization and a reflexivity property of the second-order Chebyshev differentiation matrix, we show that the decomposed submatrices exhibits a similar property, enabling the system to be decomposed using reflexive decompositions. Explicit forms of the decomposed submatrices are derived. The decomposition not only yields more efficient algorithm but introduces coarse-grain parallelism. Furthermore, it preserves all eigenvalues of the original matrix. 展开更多
关键词 helmholtz equation CHEBYSHEV Pseudo-spectral Method CHEBYSHEV Differentiation MATRIX Coarse-Grain parallelism REFLEXIVE MATRIX
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Chebyshev谱元方法结合并行算法求解三维区域的Helmholtz方程 被引量:4
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作者 朱昌允 秦国良 徐忠 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2012年第3期247-251,350,共5页
本文探讨了采用Chebyshev谱元方法结合并行计算求解三维区域的Helmholtz方程问题。首先应用变分方法,得到了带有第一类边界条件的三维区域Helmholtz方程的弱形式。然后在三维的标准单元内,采用Chebyshev正交多项式展开函数u和试函数v,... 本文探讨了采用Chebyshev谱元方法结合并行计算求解三维区域的Helmholtz方程问题。首先应用变分方法,得到了带有第一类边界条件的三维区域Helmholtz方程的弱形式。然后在三维的标准单元内,采用Chebyshev正交多项式展开函数u和试函数v,并且将其带入弱形式方程,通过积分,得到单元刚度矩阵;通过合成单元刚度矩阵,得到总体矩阵。最后通过基于MPI的并行计算,求解了以总体矩阵为系数的方程组,得到了Helmholtz方程的数值解,和解析解对比表明了数值解的正确性,并且数值解具有8阶精度。在并行求解方程组过程中,充分利用矩阵的对称性和矢量存储来获取上三角元素,这大幅的节约了存储量和计算进程间的通讯量,获得的并行效率可达76.6%。 展开更多
关键词 谱元方法 helmholtz方程 并行计算
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地震激发地球自由振荡过程的数值模拟初步探索 被引量:12
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作者 严珍珍 张怀 +1 位作者 杨长春 石耀霖 《地球科学进展》 CAS CSCD 北大核心 2008年第10期1020-1026,共7页
地球自由振荡的固有频率与地球内部结构密切相关,研究地球自由振荡可以深入研究地球内部结构。传统的解析方法侧重于本征频率的确定,但对从地震发生到地球自由振荡被激发的全过程难以研究。从弹性波动理论基础出发,试采用谱元法结合高... 地球自由振荡的固有频率与地球内部结构密切相关,研究地球自由振荡可以深入研究地球内部结构。传统的解析方法侧重于本征频率的确定,但对从地震发生到地球自由振荡被激发的全过程难以研究。从弹性波动理论基础出发,试采用谱元法结合高性能并行计算数值模拟特大地震激发的弹性波在地球内部传播过程。在不考虑地球重力情况下,对数值模拟激发地球自由振荡的结果进行功率谱密度分析,通过对谱结果的观察并与理论值进行对比分析,认识到环型振型数值模拟结果可以准确重现其长周期理论频率值,地球重力对球型振型有重要影响。探讨了是否可以通过这种方法真实重现地球自由振荡激发的过程。以期利用此方法深入探讨地球横向不均匀性对地球自由振荡的影响。 展开更多
关键词 地球自由振荡 地球内部结构 环型振荡 球型振荡 谱元法 并行计算
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一种求解地震波方程的高效并行谱元格式 被引量:5
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作者 林灯 崔涛 +1 位作者 冷伟 张林波 《计算机研究与发展》 EI CSCD 北大核心 2016年第5期1147-1155,共9页
地震波数值模拟在地震学和地震勘探中扮演着非常重要角色.在已有工作的基础上,提出1种高效并行的地震波PML方程谱元格式.PML被引入地震波方程以吸收外向波进而模拟无界区域.进一步,为了适应复杂地形同时允许时间显式推进,谱元方法被用... 地震波数值模拟在地震学和地震勘探中扮演着非常重要角色.在已有工作的基础上,提出1种高效并行的地震波PML方程谱元格式.PML被引入地震波方程以吸收外向波进而模拟无界区域.进一步,为了适应复杂地形同时允许时间显式推进,谱元方法被用来离散地震波PML方程.由此得到地震波PML方程谱元格式.在此基础上,阐述了单元刚度矩阵分解性质,并说明了利用单元刚度矩阵分解可以大幅减少刚度矩阵存储量同时显著加速刚度矩阵与向量乘积,进而显著减少格式的计算量和存储量.此外,算法复杂性分析表明格式无论在计算量上还是在存储量上都优于几种已知的1阶地震波PML方程谱元格式.结合并行技术,给出了高效并行的地震波PML方程谱元格式.数值实验验证了格式的正确性、良好的强弱并行可扩展性以及对复杂地形的适应性. 展开更多
关键词 地震波方程 数值模拟 完美匹配层 谱元方法 单元刚度矩阵分解 并行计算
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二维声学数值计算的径向插值有限元法 被引量:2
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作者 夏百战 于德介 姚凌云 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第11期159-165,共7页
针对声学有限元分析中四节点等参单元计算精度低,对网格质量敏感的问题,将无网格径向插值技术引入到标准有限元中,构造径向插值形函数,推导径向插值有限元法(Radial interpolation finite element method,RIFEM)的二维声学数值计算公式... 针对声学有限元分析中四节点等参单元计算精度低,对网格质量敏感的问题,将无网格径向插值技术引入到标准有限元中,构造径向插值形函数,推导径向插值有限元法(Radial interpolation finite element method,RIFEM)的二维声学数值计算公式。二维声学RIFEM采用标准有限元法形函数构造系统离散方程的声学刚度矩阵和边界积分矢量,保证了声压梯度和边界条件在区域边界的积分精度;采用径向插值形函数构造系统离散方程的质量矩阵,提高了声压数值近似函数的插值精度。对管道二维声腔模型和某轿车二维声腔模型的数值分析结果表明,与标准有限元法和SFEM相比,RIFEM的计算精度更高,对波数、单元尺寸和网格扭曲程度的灵敏度更低。因此RIFEM可以很好地应用于二维声学数值分析,具有广阔的工程应用前景。 展开更多
关键词 有限元法 径向插值 helmholtz方程 声学数值计算
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轴对称体声振耦合的边界子波谱与有限元耦合方法 被引量:4
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作者 文立华 张京妹 《计算物理》 CSCD 北大核心 2002年第1期73-76,共4页
探讨了子波在Helmholtz积分方程及声振耦合中的应用 ,在建立了求解轴对称Helmholtz积分方程的子波谱方法的基础上 ,构造了轴对称子波谱与轴对称有限元的耦合方法 ,该方法可以处理轴对称问题的任意边界条件 .
关键词 子波 helmholtz积分方程 有限元 声振耦合 轴对称 子波谱 模态分析
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有限元并行计算中网格自动分区的优化 被引量:2
8
作者 王琥 李光耀 钟志华 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2005年第S1期46-51,共6页
针对集群系统下大规模有限元并行计算的特点,提出了优化多层次谱二分分区法。该方法对传统多层次谱二分分区方法的粗化、分区以及还原阶段的分区策略和算法进行了优化和调整,提出了顶点平衡策略以及平衡Kernighan-Li算法,弥补了传统谱... 针对集群系统下大规模有限元并行计算的特点,提出了优化多层次谱二分分区法。该方法对传统多层次谱二分分区方法的粗化、分区以及还原阶段的分区策略和算法进行了优化和调整,提出了顶点平衡策略以及平衡Kernighan-Li算法,弥补了传统谱二分法的缺陷,并应用该方法对不同几何类型的有限元模型进行了分区测试。测试结果表明,同传统分区方法相比,该方法的分区效果得到了明显改善。 展开更多
关键词 并行计算 自动分区 有限元方法 优化多层次谱二分法 顶点平衡策略
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Navier-Stokes方程有限元并行计算方法最新进展 被引量:5
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作者 尚月强 黄淑梅 《贵州师范大学学报(自然科学版)》 CAS 2012年第2期113-120,共8页
Navier-Stokes方程是流体力学的基本方程,其并行数值求解方法是当前计算数学和计算流体力学领域的最前沿课题之一。综述了Navier-Stokes方程有限元并行计算方法的研究现状。将已有的方法进行分类,分别介绍了其基本思想,评述了各种有限... Navier-Stokes方程是流体力学的基本方程,其并行数值求解方法是当前计算数学和计算流体力学领域的最前沿课题之一。综述了Navier-Stokes方程有限元并行计算方法的研究现状。将已有的方法进行分类,分别介绍了其基本思想,评述了各种有限元并行计算方法的优缺点,讨论了有限元并行计算方法所面临的问题,并对其发展趋势进行了展望。 展开更多
关键词 Navier—Stokes方程 有限元方法 并行计算 计算流体力学
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求解常系数 ODE 的 Sobolev 正交小波有限元法 被引量:3
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作者 熊联欢 李德华 +1 位作者 徐长发 黄建忠 《华中理工大学学报》 CSCD 北大核心 1997年第5期76-78,93,共4页
通过采用周期化的Sobolev正交小波基函数来数值求解常系数常微分方程,分析了这种Sobolev正交小波有限元法的一般步骤和算法特点.数值实验说明该法的收敛速度和误差分布都很好.
关键词 正交小波函数 有限元法 数值解 常微分方程
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3维Mortar谱元法模拟Kelvin-Helmhtz不稳定性混合层
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作者 张旭 黄彬彬 刘金宏 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第2期383-388,共6页
采用Mortar谱元法和多处理器并行计算技术模拟了Kelvin-Helmhtz界面不稳定性湍流的混合发展过程,通过对混合层动量厚度、能谱和总动能的计算,评估了Kelvin-Helmhtz混合层的演化机理。计算结果表明:3维Mortar谱元法具有高计算精度和光滑... 采用Mortar谱元法和多处理器并行计算技术模拟了Kelvin-Helmhtz界面不稳定性湍流的混合发展过程,通过对混合层动量厚度、能谱和总动能的计算,评估了Kelvin-Helmhtz混合层的演化机理。计算结果表明:3维Mortar谱元法具有高计算精度和光滑区域的指数收敛特性,可以有效模拟混合层流动的湍流混合和演化,能够捕捉到涡的合并现象和大涡到小涡的级联过程;初期的混合层层流运动发展成具有连续谱结构的湍流运动过程,实现了Kelvin-Helmhtz界面不稳定性混合层流动从2维发展到3维的转捩特征,总湍流统计动能的变化反映了粘性耗散过程的作用。通过对Kelvin-Helmhtz 3维界面不稳定性混合层流动和3维层流向湍流转捩过程的数值模拟,程序的有效性得到了验算,表明谱元法应用于湍流混合模拟是可行的。 展开更多
关键词 谱元法 不稳定性 混合层 多处理器 并行计算
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并行的谱元方法
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作者 赵廷刚 《甘肃高师学报》 2008年第5期1-3,共3页
提出了一种可并行计算的谱元方法.该方法将计算区域分裂成有限个单元,在每个单元上使用谱方法求解问题,在单元的交界面上采用山形函数来分辨.方法具有高度的并行化.数值结果显示,该方法具有好的收敛性.
关键词 并行化 谱元方法 BURGERS方程
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数值堆热工流体高精细并行模拟优化技术研究 被引量:2
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作者 董玲玉 周志锋 +6 位作者 戴潮虎 赵珂 吴宗芸 刘天才 赵民富 杨文 胡长军 《原子能科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第9期1581-1593,共13页
热工流体模拟是数值反应堆的重要组成部分,高精细、大规模数值计算是实现高保真数值模拟的基础。使用计算流体力学(CFD)软件进行高精细、大规模数值模拟对计算资源和存储资源提出了巨大挑战,需依赖超级计算机并行实现。本文以基于谱元... 热工流体模拟是数值反应堆的重要组成部分,高精细、大规模数值计算是实现高保真数值模拟的基础。使用计算流体力学(CFD)软件进行高精细、大规模数值模拟对计算资源和存储资源提出了巨大挑战,需依赖超级计算机并行实现。本文以基于谱元法求解N-S(Navier-Stokes)方程的数值方法为研究对象,针对区域分解和基于典型混合架构国产超级计算机的并行优化两个核心问题,提出了一种面向海量精细网格的混合并行递归谱二分法实现的大规模区域分解方法,建立了一套以小矩阵乘为核心的申威(SW26010处理器)众核架构并行优化技术。混合并行大规模区域分解方法在天河二号超算上进行测试,相比开源CFD软件Nek5000的串行区域分解模块性能提升约95%;面向申威的小矩阵乘优化在神威·太湖之光超算上进行测试,当谱元阶数达到24时性能提高约51.9%。两种技术均在中国数值反应堆核心软件CVR-PACA中得以应用。 展开更多
关键词 计算流体力学 谱元法 并行区域分解 矩阵乘并行优化技术 数值反应堆
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考虑不均匀地壳构造的四川盆地地震动模拟研究 被引量:1
14
作者 万远春 于彦彦 +1 位作者 丁海平 胡颖平 《自然灾害学报》 CSCD 北大核心 2022年第2期204-214,共11页
考虑龙门山两侧地壳构造的横向不均匀性建立了三维四川盆地模型,基于谱元法和并行计算技术模拟了盆地地表的地震动响应。考虑震源形式、模型维度及震源上升时间的变化,通过对比均匀与不均匀地壳盆地模型下模拟的地表速度峰值(PGV)及其比... 考虑龙门山两侧地壳构造的横向不均匀性建立了三维四川盆地模型,基于谱元法和并行计算技术模拟了盆地地表的地震动响应。考虑震源形式、模型维度及震源上升时间的变化,通过对比均匀与不均匀地壳盆地模型下模拟的地表速度峰值(PGV)及其比值R的分布,研究了横向不均匀地壳构造对四川盆地长周期模拟地震动的影响。结果表明,复杂有限断层破裂下最大R值在0.9~1.2之间,盆地外的茂县-平武-青川之间及四川盆地内的局部区域受影响显著,其它区域的地震动受不均匀地壳的影响不明显。三维点源破裂下不均匀地壳的影响程度相比有限断层时更突出,R值在0.6~2.6之间,盆地内外受影响区域的范围也更大。点源破裂下二盆地模型的R值最大,可达4.5以上,且受影响区域集中在盆地内部。此外,点源破裂下无论二维还是三维盆地模型,震源上升时间延长时不均匀地壳的影响程度均显著降低。 展开更多
关键词 不均匀地壳 四川盆地 谱元法 并行计算 盆地地震动
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Spectral element analysis on the characteristics of seismic wave propagation triggered by Wenchuan M_s8.0 earthquake 被引量:9
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作者 YAN ZhenZhen ZHANG Huai +1 位作者 YANG ChangChun SHI YaoLin 《Science China Earth Sciences》 SCIE EI CAS 2009年第6期764-773,共10页
The 2008 Wenchuan earthquake occurred in an active earthquake zone, i.e., Longmenshan tectonic zone. Seismic waves triggered by this earthquake can be used to explore the characteristics of the fault rupture process a... The 2008 Wenchuan earthquake occurred in an active earthquake zone, i.e., Longmenshan tectonic zone. Seismic waves triggered by this earthquake can be used to explore the characteristics of the fault rupture process and the hierarchical structure of the Earth's interior. We employ spectral element method incorporated with large-scale parallel computing technology, to investigate the characteristics of seismic wave propagation excited by Wenchuan earthquake. We calculate synthetic seismograms with one-point source model and three-point source model respectively. The AK135 model is employed as a prototype of our numerical global Earth model. The Earth's ellipticity, Earth’s medium attenuation, and topography data are taken into consideration. These wave propagation processes are simulated by solving three-dimensional elastic wave governing equations. Three-dimensional visualization of our numerical results displays the profile of the seismic wave propagation. The three-point source, which is proposed from the latest investigations through field observation and reverse estimation, can better demonstrate the spatial and temporal characteristics of the source rupture process than the one-point source. We take comparison of synthetic seismograms with observational data recorded at 16 observatory stations. Primary results show that the synthetic seismograms calculated from three-point source agree well with the observations. This can further reveal that the source rupture process of Wenchuan earthquake is a multi-rupture process, which is composed by at least three or more stages of rupture processes. 展开更多
关键词 WENCHUAN EARTHQUAKE spectral element method numerical simulation global SEISMIC wave parallel COMPUTING
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A CASCADIC MULTIGRID METHOD FOR SEMILINEAR ELLIPTIC EQUATIONS
16
作者 Fei Xu Fusheng Luo 《Journal of Computational Mathematics》 SCIE CSCD 2019年第1期112-129,共18页
This paper introduce a cascadic multigrid method for solving semilinear elliptic equations based on a multilevel correction method.Instead of the common costly way of directly solving semilinear elliptic equation on a... This paper introduce a cascadic multigrid method for solving semilinear elliptic equations based on a multilevel correction method.Instead of the common costly way of directly solving semilinear elliptic equation on a very fine space,the new method contains some smoothing steps on a series of multilevel finite element spaces and some solving steps to semilinear elliptic equations on a very coarse space.To prove the efficiency of the new method,we derive two results,one of the optimal convergence rate by choosing the appro- priate sequence of finite element spaces and the number of smoothing steps,and the other of the optimal computational work by applying the parallel computing technique.Moreover,the requirement of bounded second order derivatives of nonlinear term in the existing multigrid methods is reduced to a bounded first order derivative in the new method.Some numerical experiments are presented to validate our theoretical analysis. 展开更多
关键词 Sernilinear ELLIPTIC equation parallel COMPUTING Cascadic MULTIGRID MULTILEVEL CORRECTION FINITE element method
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两维浅水波方程的半隐谱元素离散及其并行计算 被引量:1
17
作者 张理论 宋君强 李晓梅 《数值计算与计算机应用》 CSCD 北大核心 2004年第2期100-107,共8页
Semi-implicit spectral element schemes for 2-D shallow water equation are given, and numerical techniques are discussed. The EBE (element by element) idea is generalized to unsymmetric caes. We design mass-matrix diag... Semi-implicit spectral element schemes for 2-D shallow water equation are given, and numerical techniques are discussed. The EBE (element by element) idea is generalized to unsymmetric caes. We design mass-matrix diagonal pre-conditioned conjugate gradient method. The parallel computing is covered, and implemented on PC cluster. The research shows that spectral element has high precision and good scalability for shallow water simulation, and fits on the high-latency PC cluster perfectly. 展开更多
关键词 浅水波方程 动力学 气象数值模拟 并行计算 离散
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波源转移区域分解算法:时谐弹性波方程 被引量:1
18
作者 陈志明 崔涛 向雪霜 《中国科学:信息科学》 CSCD 北大核心 2016年第10期1359-1371,共13页
陈志明等针对求解时谐声波散射问题提出了波源转移区域分解算法,并给出了严格的收敛性分析.本文将波源转移区域分解算法推广到求解时谐弹性波散射问题.我们使用谱元法离散时谐弹性波方程,将波源转移区域分解算法作为GMRES迭代算法的预... 陈志明等针对求解时谐声波散射问题提出了波源转移区域分解算法,并给出了严格的收敛性分析.本文将波源转移区域分解算法推广到求解时谐弹性波散射问题.我们使用谱元法离散时谐弹性波方程,将波源转移区域分解算法作为GMRES迭代算法的预条件子去求解离散问题.数值算例表明波源转移区域分解算法可以作为常波数或变波数时谐弹性波散射问题的有效预条件子.对于常波数问题,当采用适当高阶谱元格式降低离散误差时,以波源转移区域分解算法作为预条件子的GMRES迭代算法只需要非常少的迭代步数即可收敛. 展开更多
关键词 helmholtz方程 时谐弹性波方程 高频波 谱元法 完美匹配层方法 波源转移
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抛物方程时间周期问题的有限元多格子动力学迭代 被引量:1
19
作者 蒋耀林 张辉 《计算数学》 CSCD 北大核心 2008年第2期113-128,共16页
本文我们研究线性周期抛物方程的有限元多格子动力学迭代.多格子动力学迭代又称多重网格波形松弛,它是在函数空间中的一种迭代过程.对于由加速技术得到的多格子动力学迭代算子,我们通过计算周期函数的Fourier系数给出了新的谱表达式.从... 本文我们研究线性周期抛物方程的有限元多格子动力学迭代.多格子动力学迭代又称多重网格波形松弛,它是在函数空间中的一种迭代过程.对于由加速技术得到的多格子动力学迭代算子,我们通过计算周期函数的Fourier系数给出了新的谱表达式.从这些有用的表达式出发,我们推导了时间连续和离散格式的迭代收敛条件.数值实验进一步验证了本文的理论结果. 展开更多
关键词 抛物型方程 周期问题 有限元方法 多重网格方法 动力学迭代 谱集 FOURIER级数 并行处理
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电子结构计算的数值方法与理论 被引量:4
20
作者 戴小英 《计算数学》 CSCD 北大核心 2020年第2期131-158,共28页
第一原理电子结构计算已成为探索与研究物质机理、理解与预测材料性质的重要手段和工具.虽然第一原理电子结构计算取得了巨大的成功,但是如何利用高性能计算机又快又好地计算大规模体系,如何从数学角度理解电子结构模型的合理性与计算... 第一原理电子结构计算已成为探索与研究物质机理、理解与预测材料性质的重要手段和工具.虽然第一原理电子结构计算取得了巨大的成功,但是如何利用高性能计算机又快又好地计算大规模体系,如何从数学角度理解电子结构模型的合理性与计算的可靠性和有效性,依然充满各种挑战.基于密度泛函理论的第一原理电子结构计算的核心数学模型为Kohn-Sham方程或相应的Kohn-Sham能量泛函极小问题.近年来,人们分别从非线性算子特征值问题的高效离散及Kohn-Sham能量泛函极小问题的最优化方法设计两个方面对电子结构计算的高效算法设计及分析展开了诸多研究.本文重点介绍我们小组在电子结构计算的方法与理论方面的一些进展,同时简单介绍该领域存在的困难与挑战. 展开更多
关键词 电子结构 Kohn-Sham方程 Kohn-Sham总能极小问题 特征值问题 有限元方法 最优化方法 自适应 并行计算
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