参与性介质辐射传输分区并行计算的加速收敛方法 王振华.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143064 参与性介质辐射传输分区并行计算的加速收敛方法 王振华，贺志宏，穆磊，葛永博，董士奎 （哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨 150001）el：0451Email：dongsk@hit.edu.cn) 摘要：目前人们开始采用先进的并行计算技术来提高辐射传输的计算效率。在辐射传输的分区并行计算的深入研究中发现，其收敛性会随着分区数的增加而逐渐减弱，从而使并行效率显著降低。本文首先分析了辐射传输分区并行计算收敛性降低的原因，然后针对辐射传输计算所特有的方向性，提出一种辐射传输分区并行计算的加速收敛方法。在这种加速收敛的方法中，依据每个子区域与相邻子区域间的位置关系，调整其不同的离散角扫描顺序，从而降低了子区域间的迭代延迟来达到加速其收敛的目的。具体的计算结果显示，这种分区并行计算的加速收敛方法，能够显著的降低分区数对收敛性的影响，从而进一步减小分区并行计算的计算时间，提高了并行计算的效率。 关键词：热辐射传输；分区并行计算；参与性介质；收敛性 0 前言 由于热辐射具有方向性、全场性以及非灰性等特点，。为提高热辐射传输求解的计算效率，人们开始寻求其加速求解的方法。1998年谈和平等[1,2]在求解地物目标温度场和红外辐射出射度场时，将三维复杂几何形体分解为若干个规则的子区域，首次实现了并行计算2004年阮立明等[3]采用子区域重叠技术，将各子区域的边界面假象为等效黑体面，实现了参与性介质内部的辐射传输分区并行计算。2009年艾青[4]在以上的研究基础之上，将分区求解法与蒙特卡洛法相结合，提出了一种适合大光学厚度介质辐射传输求解的移动区域蒙特卡洛法。 而随着计算机工程应用技术的发展，开始出现了适用于并行计算的新技术，包括基于MPI (Message Passing Interface)的CPU并行和基于CUDA的GPU并行，其能够较容易的多个线程，还能方便的实现线程之间的数据传递。国外的A1991年[]就开始采用MPI并行计MPI技术的辐射传输分区并行计算不仅能够很好的保持原有计算精度，还具有很高的并行效率；1998年Baker[6]在大型并行计算机CM-200上又实现了参与性介质内辐射传输的大规模并行计算。而随着并行计算方法的改进，对于参与性介质内的辐射传输并行计算逐渐趋于成熟；2012年NASA的Godoy[]将MPI与DOM (Discrete Ordinate Method)相结合，把并行加速比提高到了400；2013年Ishii[8]实现了MPI与MCM相结合的分区并行计算；2013年Colomer[9]在进行大规模网格并行计算时，又获得了超线性加速比(并行效率大于1)的效果。而由于GPU并行计算技术从2008年才开始出现，采用GPU进行辐射传输并行计算的文献出现较晚， 2011年Godoy等[] 采用GPU并行GPU并行计算技术引入到了参与性介质内的辐射传输求解当中。而国内采用这种先进的并行计算技术进行辐射传输的求解起步比较晚，在2011年[]才实现了非参与性介质内的表面辐射传输并行计算，2013年[]实现了参与性介质内的辐射传输并行 本文基于已有的分区并行计算方法，分析了收敛性降低的根本原因，从而提出一种辐射传输分区并行计算的加速收敛方法，用来加速收敛从而提高并行计算的效率。 1辐射传输分区并行计算方法分为多个子区域会在子区域间产生两个本来并不存在的“数值”边界，为了消去这些“数值”边界的影响，需要对这些“数值”边界进行特殊处理：当“数值”边界作为光线方向的下游时，其看温度0K，吸收率为1的冷黑体，并记录投射到它上面的各个方向的辐射强度， 在对“数值”边界处理之后，每个子区域便可以通过扫描该子区域内的网格和离散方向来进行辐射传输计算。而每迭代一次，统计各个子区域残差的最大值作为并行计算的收敛依据，直至收敛。 1.1未改进的方向扫描顺序 a)第一步 b) 第二步 图1 未改进的并行计算在单次迭代中的方向扫描顺序 在第一步扫描S+方向角时，子区域A的上游壁面是真实壁面，直接由壁面条件计算出其壁面辐射强度而子区域B的上游壁面为“数值”壁面f-f需要采用相邻区域A传递过来的辐射强度但由于在迭代中相邻子区域传递过来的辐射强度还未计算，因此只能采用上一迭代所接收到得辐射强度。在第二步中扫描S-方向角时，子区域B的上游壁面为真实壁面，