一種壁面網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取的循環(huán)通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)壁面網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高CFD湍流模 擬壁面距離并行計(jì)算中壁面網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取通信效率的循環(huán)通信方法。
【背景技術(shù)】
[0002] CFD (計(jì)算流體力學(xué)）是通過(guò)在計(jì)算機(jī)上數(shù)值求解流體與氣體動(dòng)力學(xué)基本方程，獲 取各種條件下流動(dòng)的數(shù)據(jù)和作用在繞流物體上的力、力矩、流動(dòng)圖像和熱量的學(xué)科。CFD中 壁面距離反映著湍流的近壁特性，一直都在Reynolds平均、大渦模擬的湍流?；衅鹬?常重要的作用。
[0003] 流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)的壁面距離指流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)到壁面所有網(wǎng)格點(diǎn)的距離的最小值，如圖1 所示。典型的網(wǎng)格包含壁面邊界和外邊界，壁面邊界和外邊界之間包含的區(qū)域?yàn)榱鲌?chǎng)。壁 面邊界被離散成壁面網(wǎng)格點(diǎn)，流場(chǎng)被離散成流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)。壁面距離計(jì)算時(shí)需要用到網(wǎng)格文 件和邊界文件中的數(shù)據(jù)。流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)信息由網(wǎng)格文件確定，壁面網(wǎng)格點(diǎn)信息和外邊界由邊 界文件確定。
[0004] 網(wǎng)格分區(qū)如圖2所示，即通過(guò)分區(qū)邊界把整個(gè)網(wǎng)格劃分成若干個(gè)分區(qū)。壁面距離 并行計(jì)算基于網(wǎng)格分區(qū)并行，指把整個(gè)網(wǎng)格區(qū)域劃分成若干個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)格分區(qū)，各網(wǎng)格分 區(qū)內(nèi)流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)的壁面距離計(jì)算同時(shí)進(jìn)行。
[0005] 分區(qū)并行一般基于消息傳遞并行編程模型，即一個(gè)MPI進(jìn)程對(duì)應(yīng)一個(gè)分區(qū)，假定 共有M個(gè)分區(qū)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示，分區(qū)內(nèi)的壁面網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)用Walli (1彡i彡M)表 示。由于壁面網(wǎng)格點(diǎn)被劃分到不同的分區(qū)中，所以在進(jìn)行壁面距離并行計(jì)算時(shí)，負(fù)責(zé)本分區(qū) 的MPI進(jìn)程需要獲取其它分區(qū)所包含的壁面網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)。壁面距離并行計(jì)算采用循環(huán)進(jìn)行 的方式，即所有進(jìn)程依次對(duì)第i (1 < i < M)個(gè)分區(qū)中的壁面網(wǎng)格點(diǎn)，計(jì)算/更新其分區(qū)內(nèi) 流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)的壁面距離。
[0006] 壁面距離并行計(jì)算能夠顯著縮短壁面距離的計(jì)算時(shí)間，步驟6中壁面網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù) 獲取時(shí)通信量與通信次數(shù)、每次通信的壁面網(wǎng)格數(shù)據(jù)量直接相關(guān)，可能會(huì)產(chǎn)生通信沖突。 因?yàn)樵谕粫r(shí)刻，當(dāng)所有進(jìn)程都訪問(wèn)第i個(gè)分區(qū)時(shí)，第i個(gè)進(jìn)程必須向非本進(jìn)程號(hào)的其它所 有進(jìn)程發(fā)送壁面網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)，其它進(jìn)程接收網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)。此時(shí)，通信集中在第i個(gè)進(jìn)程處， 從而影響通信效率。獲取walll、wall2中網(wǎng)格點(diǎn)信息的通信如圖2所示。當(dāng)分區(qū)數(shù)目多 (大于103量級(jí)）且各分區(qū)壁面網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)量大(大于104量級(jí)）時(shí)，通信沖突會(huì)非常嚴(yán)重。
[0007] 因此，亟需研制一種壁面網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)循環(huán)獲取方法，通過(guò)循環(huán)通信方式減少壁面 距離并行計(jì)算壁面網(wǎng)格點(diǎn)獲取時(shí)產(chǎn)生的通信沖突。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是為提高CFD壁面距離并行計(jì)算獲取壁面網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù) 的通信效率，發(fā)明一種壁面網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)循環(huán)獲取方法。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：
[0010] 一種壁面網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取的循環(huán)通信方法，包括以下步驟：
[0011] (1)確定壁面距離計(jì)算直接法的原理：
[0012] 構(gòu)建流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)集合U={Upu2, . . .，,壁面網(wǎng)格點(diǎn)集合W= {Wi,w2, . . .，wM},待 求解流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)壁面距離集合D= {屯,d2, . . . ,dN};
[0013] 其中N、M分別為流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)和壁面網(wǎng)格點(diǎn)的個(gè)數(shù)；U、W為含N元素的三維實(shí)型 數(shù)組，D為含N元素的一維實(shí)型數(shù)組；
[0014]任意兩點(diǎn)pjxpypzD，p2(x2,y2,z2)間的距離計(jì)算公式如下所示：
[0015]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種壁面網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取的循環(huán)通信方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 確定壁面距離計(jì)算直接法的原理： 構(gòu)建流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)集合u={Upu2, ...，％}，壁面網(wǎng)格點(diǎn)集合W= {Wi,w2, ...，wM}，待求解 流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)壁面距離集合D= {屯，d2, . . .，dN}; 其中N、M分別為流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)和壁面網(wǎng)格點(diǎn)的個(gè)數(shù)；U、W為含N元素的三維實(shí)型數(shù)組，D為含N元素的一維實(shí)型數(shù)組； 任意兩點(diǎn)Pi(Xi,ypzD，p2 (x2,y2,z2)間的距離計(jì)算公式如下所示：
當(dāng)流場(chǎng)為二維平面時(shí)，取Zi=z2 = 0,公式（1)仍然成立； (2) 確定基于直接法的壁面距離計(jì)算流程具體步驟： 基于直接法的壁面距離計(jì)算流程包括兩層循環(huán)，外循環(huán)遍歷流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)，內(nèi)循環(huán)遍歷 所有壁面網(wǎng)格點(diǎn)，描述如下： 步驟1 :用i表示流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)W(i= 1，2,. . .，N)的遍歷變量，i=0 ; 步驟 2 :i=i+l; 步驟3 :用j表示壁面網(wǎng)格點(diǎn)Wj(j= 1，2,. . .，M)遍歷變量，j=0 ; 步驟 4 :j=j+l; 步驟5 :判斷j是否為1，是則轉(zhuǎn)步驟6,否則轉(zhuǎn)步驟7 ; 步驟6 :根據(jù)公式1計(jì)算Ui和Wl之間的距離，并置入屯噸表示第i個(gè)流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)到壁 面之間的距離 步驟7 :根據(jù)公式1計(jì)算Ui和Wj之間的距離s; 步驟8 :判斷屯是否大于s，是則轉(zhuǎn)入步驟9 ;否則轉(zhuǎn)步驟10 步驟9 :置屯為s; 步驟10 :判斷j是否彡M，是則轉(zhuǎn)步驟11，否則轉(zhuǎn)步驟4 ; 步驟11 :判斷i是否彡N，是則轉(zhuǎn)步驟12,否則轉(zhuǎn)步驟2 ; 步驟12:結(jié)束； (3) 具體實(shí)施壁面網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取的循環(huán)通信方法： (3. 1)假設(shè)流場(chǎng)的分區(qū)數(shù)為F，流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)集合U= {Ul，u2, ...，％}，壁面網(wǎng)格點(diǎn)集合W=h，w2, . . .，wM},待求解流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)壁面距離集合D= {屯，d2, . . .，dN};進(jìn)程與分區(qū)呈 一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，一個(gè)進(jìn)程處理一個(gè)分區(qū)； (3. 2)各進(jìn)程載入流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)信息，并構(gòu)建各分區(qū)流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)集合屯U2,. . .，UF ;由于 每個(gè)進(jìn)程負(fù)責(zé)計(jì)算一個(gè)網(wǎng)格分區(qū)內(nèi)流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)的壁面距離，則分別構(gòu)建各分區(qū)的流場(chǎng)網(wǎng)格 點(diǎn)集合Ui,u2, ? ? ?，UF 辦，u2, ? ? ?，UF 滿(mǎn)足： UinUj =空集（2) U:UU2U. . .UUF = U(3) 其中，1 <i，j<F且i尹j;任意兩個(gè)分區(qū)流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)集合沒(méi)有相同的網(wǎng)格點(diǎn)，各分區(qū) 流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)集合的并集為流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)集合； (3. 3)各進(jìn)程載入壁面網(wǎng)格點(diǎn)信息，并構(gòu)建各分區(qū)壁面網(wǎng)格點(diǎn)集合^W2,. . .，WF ;分別 構(gòu)建各分區(qū)的壁面網(wǎng)格點(diǎn)集合A，W2,. . .，WFA，W2,. . .，WF滿(mǎn)足： WinWj=空集（4) ffiUff2U. . .UffF =ff(5) 其中，1彡i,j彡F且i關(guān)j; (3. 4)各進(jìn)程構(gòu)建各分區(qū)流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)壁面距離集合DpD2,. . .，DF ; (3. 5)各進(jìn)程并行計(jì)算其處理分區(qū)流場(chǎng)網(wǎng)格與所有分區(qū)壁面網(wǎng)格點(diǎn)集合中網(wǎng)格點(diǎn)的壁 面距離；第P個(gè)進(jìn)程的計(jì)算步驟如下所示： 步驟1 :設(shè)置a=0,a表示F個(gè)分區(qū)中遞增的一個(gè)變量； 步驟 2 :a=a+l; 步驟3 :用k表示（p+a-1)對(duì)F整除后的余數(shù)； 步驟4 :獲取第k個(gè)分區(qū)的壁面網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)； 步驟5 :根據(jù)（2)確定基于直接法的壁面距離計(jì)算流程具體步驟來(lái)計(jì)算第p個(gè)分區(qū)中流 場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)和步驟4中獲取的第k個(gè)分區(qū)中壁面網(wǎng)格點(diǎn)之間的距離； 步驟6 :判斷a是否大于等于F，成立轉(zhuǎn)步驟7,不成立轉(zhuǎn)步驟2 ; 步驟7 :結(jié)束。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)壁面網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高CFD湍流模擬壁面距離并行計(jì)算中壁面網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取通信效率的循環(huán)通信方法。包括以下步驟：（1）確定壁面距離計(jì)算直接法的原理。（2）確定基于直接法的壁面距離計(jì)算流程具體步驟：外循環(huán)遍歷流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)，內(nèi)循環(huán)遍歷所有壁面網(wǎng)格點(diǎn)。（3）具體實(shí)施：設(shè)定流場(chǎng)的分區(qū)數(shù)、流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)集合、壁面網(wǎng)格點(diǎn)集合、待求解流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)壁面距離集合；各進(jìn)程載入流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)信息，并構(gòu)建各分區(qū)流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)集合；各進(jìn)程載入壁面網(wǎng)格點(diǎn)信息，并構(gòu)建各分區(qū)壁面網(wǎng)格點(diǎn)集合；各進(jìn)程構(gòu)建各分區(qū)流場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)壁面距離集合；各進(jìn)程并行計(jì)算其處理分區(qū)流場(chǎng)網(wǎng)格與所有分區(qū)壁面網(wǎng)格點(diǎn)集合中網(wǎng)格點(diǎn)的壁面距離。
【IPC分類(lèi)】G06F17-50
【公開(kāi)號(hào)】CN104573151
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310498659
【發(fā)明人】龔春葉, 閔昌萬(wàn), 方洪, 鐵鳴, 高鵬, 鄭昭虎, 孫學(xué)功, 王玲
【申請(qǐng)人】北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所, 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2013年10月22日