专利名称：在pc机上的并行化实现分子污染直接模拟蒙特卡罗方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于航天器上的分子污染直接模拟蒙特卡罗方法，特别涉及在 PC机上的并行化实现分子污染直接模拟蒙特卡罗方法。
背景技术：
用于卫星整星污染模拟的直接模拟蒙特卡罗(Direct Simulation MonteCarlo， DSMC)方法是一种昂贵的计算方法，所占内存大、运算时间长，并且，工程应用中，航天器自 身的几何结构决定了模型巨大的计算量，传统的台式计算机串行算法很难满足运算要求。 在这种情况下，并行计算显示了容量大、时间短的优越性，不仅解决单个计算机内存不足的 难题，而且大大地提高了运算速度。这是因为1它可以加快速度，即在更短的时间内解决 相同的问题或在相同的时间内解决更多更复杂的问题，特别是对一些新出现的巨大挑战问 题，不使用并行计算时根本无法解决的；2节省投入，并行计算可以以较低的投入完成串行 计算才能够完成的任务；3物理极限的约束，光速是不可逾越的速度极限，设备和材料也不 可能做得无限小，只有通过并行才能够不断提高速度。
发明内容
—种在PC机上并行实现分子污染直接模拟蒙特卡罗的方法，基于DSMC方法，在整 个计算区域采取区域分裂法，将区域按照Z向划分为n个节点，各个节点只处理本节点包含 的区域，计算内容完全相同，包括分子的自由运动和与壁面的碰撞、分子由来流进入、分子 间的碰撞以及宏观参数的统计；各节点上的网格号保持不变，同时确定分子进入的区域，直 接将速度、转动能量、振动能量及分子种类标识传入该节点，节点间的信息交换只存在于相 邻节点之间；具体包括以下步骤(l)在各节点上进行初始化工作，每个节点上的区域信息 互不相关；(2)各个节点计算分子的自由运动及与边界面的碰撞，其中与壁面碰撞计算仅 在包含壁面的节点上进行，当某分子的网格超出该节点的计算边界，则说明该分子已经离 开原来的计算区域而进入新的计算区域，根据分子的网格编号确定出分子进入的新的计算 区域；在分子原来所在区域内，将该分子作真空边界处理，而在新的区域内，将该分子作为 该区域的N+l，该区域内的分子数目为N个分子处理；此处N为正整数；同时，将该分子离开 原节点的分子信息发送至新节点；(3)各节点将所有分子重新排序；(4)各节点计算分子间 的碰撞过程；(5)各节点进行宏观量的统计，之后进行本节点下一步取样，即返回(2) ;(6) 当所有节点，即从节点取样次数达到预设置，各个节点将计算结果回传到主节点上，再由主 节点进行输出，结束计算。
根据下面提供的示例实施例的详细说明和附图，本发明可被更加充分地理解，所
述详细说明和附图仅仅是为了说明的目的，因而并非是限制本发明。 图1DSMC方法外部并行消息流程3
图2DSMC的并行方案流程图。
具体实施例方式
用于卫星整星污染的DSMC方法算例计算量很大，单台PC机已不能满足工程化要 求。因此考虑采用串行程序并行化的一个最基本原则就是要有优良的计算通讯比，即计算 量大于通讯量，这样才能有利可图；否则，虽然计算量分配在多个计算机上，但计算机之间 的通讯却占据了大部分的时间，结果反而并行计算所耗费的时间大于串行计算，这样的并 行是没有任何意义的。另外，并行计算不能够影响到计算结果的准确性，其结果必须与串行 程序的计算结果相一致，否则，并行效率再高，也不具任何意义。DSMC方法外部并行消息流 程图如图l所示。 本发明对单个程序进行并行化处理。方案的流程图如图2所示。该方案结合DSMC 方法的特点，在整个计算区域采取区域分裂法。考虑到网格是按Z向一层一层划分的，因 此，区域按照Z向划分为n个节点。各个节点只处理本节点包含的区域，计算内容完全相 同，包括分子的自由运动和与壁面的碰撞、分子由来流进入、分子间的碰撞以及宏观参数的 统计等。各节点上的网格号保持不变，所以该方案除了各节点之间存在信息传递外，在区域 信息及分子编号上无任何关系。这样该方案只用判断分子是否离开本区域(节点)而进入 其它区域(节点)，同时确定分子进入的区域，直接将速度、转动能量、振动能量及分子种类 标识等传入该节点。由于DSMC方法中时间步长是按照网格尺寸选取的，即要保证分子在一 个时间步长内走过的路程最多不能超过网格尺寸，一般为网格尺寸的1/3，所以分子离开本 节点计算区域后，只可能进入其相邻的节点而不会跨区，这样，节点间的信息交换只存在于 相邻节点之间。
具体步骤如下 (1)在各节点上进行初始化工作，每个节点上的区域信息(包括边界信息，网格信 息)互不相关。 (2)各个节点计算分子的自由运动及与边界面的碰撞(与壁面碰撞计算仅在包含 壁面的节点上进行)，当某分子的网格超出该节点的计算边界，则说明该分子已经离开原来 的计算区域而进入新的计算区域，根据分子的网格编号确定出分子进入的新的计算区域。 在分子原来所在区域内，将该分子作真空边界处理，而在新的区域内，将该分子作为该区域 的N+1(该区域内的分子数目为N)个分子处理。同时，将该分子离开原节点的分子信息(运 动后的位置坐标、速度、转动能量、平动能量和分子所处的网格号等)发送至新节点。
(3)各节点将所有分子重新排序。
(4)各节点计算分子间的碰撞过程。
(5)各节点进行宏观量的统计，之后进行本节点下一步取样，即返回(2)。
(6)当所有节点，即从节点取样次数达到预设置，各个节点将计算结果回传到主节
点上，再由主节点进行输出，结束计算。
权利要求
一种在PC机上并行实现分子污染直接模拟蒙特卡罗的方法，基于DSMC方法，在整个计算区域采取区域分裂法，将区域按照Z向划分为n个节点，各个节点只处理本节点包含的区域，计算内容完全相同，包括分子的自由运动和与壁面的碰撞、分子由来流进入、分子间的碰撞以及宏观参数的统计；各节点上的网格号保持不变，同时确定分子进入的区域，直接将速度、转动能量、振动能量及分子种类标识传入该节点，节点间的信息交换只存在于相邻节点之间；具体包括以下步骤(1)在各节点上进行初始化工作，每个节点上的区域信息互不相关；(2)各个节点计算分子的自由运动及与边界面的碰撞，其中与壁面碰撞计算仅在包含壁面的节点上进行，当某分子的网格超出该节点的计算边界，则说明该分子已经离开原来的计算区域而进入新的计算区域，根据分子的网格编号确定出分子进入的新的计算区域；在分子原来所在区域内，将该分子作真空边界处理，而在新的区域内，将该分子作为该区域的N+1，该区域内的分子数目为N个分子处理；此处N为正整数；同时，将该分子离开原节点的分子信息发送至新节点；(3)各节点将所有分子重新排序；(4)各节点计算分子间的碰撞过程；(5)各节点进行宏观量的统计，之后进行本节点下一步取样，即返回(2)；(6)当所有节点，即从节点取样次数达到预设置，各个节点将计算结果回传到主节点上，再由主节点进行输出，结束计算。
2. 如权利要求1所述的方法，其中的区域信息包括边界信息和网格信息。
3. 如权利要求1所述的方法，其中分子信息具体包括运动后的位置坐标、速度、转动能 量、平动能量和分子所处的网格号。
全文摘要
一种在PC机上并行实现分子污染直接模拟蒙特卡罗的方法，具体包括以下步骤(1)在各节点上进行初始化工作，每个节点上的区域信息互不相关；(2)各个节点计算分子的自由运动及与边界面的碰撞，其中与壁面碰撞计算仅在包含壁面的节点上进行；(3)各节点将所有分子重新排序；(4)各节点计算分子间的碰撞过程；(5)各节点进行宏观量的统计，之后进行本节点下一步取样，即返回(2)；(6)当所有节点取样次数达到预设置，各个节点将计算结果回传到同一节点上，再由该节点进行输出，结束计算。在这种情况下，并行计算显示了容量大、时间短的优越性，不仅解决单个计算机内存不足的难题，而且大大地提高了运算速度。
文档编号G06F17/50GK101770526SQ20081018807
公开日2010年7月7日 申请日期2008年12月29日 优先权日2008年12月29日
发明者焦子龙, 院小雪 申请人:北京卫星环境工程研究所