基于MPI的三維枝晶生長(zhǎng)相場(chǎng)模型模擬研究.pdf

1、隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和計(jì)算材料科學(xué)的進(jìn)步，數(shù)值模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)了二元合金晶體生長(zhǎng)微觀結(jié)構(gòu)的研究。相場(chǎng)法作為目前最有效的微觀組織數(shù)值模擬方法之一，采用相場(chǎng)法模擬二元合金凝固過(guò)程已成為金屬材料微觀結(jié)構(gòu)模擬研究的一個(gè)熱門研究方向。然而，由于二元合金的相場(chǎng)模型包含的變量繁多且復(fù)雜，傳統(tǒng)的串行程序受制于程序本身靜態(tài)內(nèi)存的大小，相場(chǎng)規(guī)模無(wú)法擴(kuò)大，使得二元合金相場(chǎng)模型的研究大部分還停留在二維階段，同時(shí)計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)、計(jì)算效率低也成為三維模擬的瓶頸問(wèn)題，所以

2、如何大幅度地增加相場(chǎng)規(guī)模、減少計(jì)算時(shí)間、提高計(jì)算效率成為二元合金相場(chǎng)模擬研究中急需解決的問(wèn)題。近年來(lái)，隨著多核計(jì)算機(jī)集群的普及，單機(jī)無(wú)法解決的大規(guī)模計(jì)算任務(wù)可以在集群環(huán)境下被很好地解決。其中就需要用到消息傳遞模式，MPI作為最流行的消息傳遞設(shè)計(jì)平臺(tái)，已經(jīng)被應(yīng)用到許多方面。本文就是采用 MPI并行技術(shù)來(lái)解決二元合金相場(chǎng)模型模擬研究中的問(wèn)題，主要開(kāi)展了以下研究工作：
　　(1)本文采用MPI并行技術(shù)實(shí)現(xiàn)了二元合金相場(chǎng)模型的并行化，通過(guò)

3、并行模擬結(jié)果和串行模擬結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了并行模擬結(jié)果的可靠性和有效性；模擬規(guī)模從2503個(gè)網(wǎng)格擴(kuò)大到1000×1000×500個(gè)網(wǎng)格，大尺度地實(shí)現(xiàn)了二元合金三維枝晶生長(zhǎng)形態(tài)的模擬研究，并對(duì)大規(guī)模的二元合金三維枝晶的生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行分析。
　　(2)通過(guò)多組 MPI并行加速實(shí)驗(yàn)得出：組通信的并行加速比最高可以達(dá)到15.45倍，要高于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的10.06倍，組通信最大模擬規(guī)模與串行程序最大模擬規(guī)模相同，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模擬規(guī)模隨著進(jìn)程數(shù)的增加

4、而增大；在多種MPI計(jì)算域劃分方式中，按行劃分的計(jì)算效率最高，加速效率隨著沿 x軸劃分次數(shù)的減少而降低。
　　(3)將基于 MPI+OpenMP混合編程技術(shù)模擬出的結(jié)果圖與純 MPI并行技術(shù)的模擬結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證其可靠性和有效性；同等條件下，將兩種并行技術(shù)的加速效果進(jìn)行比較，結(jié)果證明：在同等條件下，基于 MPI+OpenMP混合編程技術(shù)的加速比要高于純 MPI并行技術(shù)的加速比；通過(guò)對(duì) MPI+OpenMP并行技術(shù)最優(yōu)進(jìn)程數(shù)和線程數(shù)的