一种凸边界的内腔真空辐射仿真的高效并行计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于内腔真空福射仿真方法技术领域，具体是涉及一种基于有限元法的内 腔真空福射仿真的高效并行计算方法。
【背景技术】
[0002] 在工业设计中，需要对大量的热传递问题进行仿真计算。热传递的方式包括传导、 对流与电磁波福射。对于固体结构的热传递问题的仿真计算中，有限元方法已经成为了主 要方法，在壁面温度边界条件、热流边界条件、对流换热边界条件与电磁波福射边界条件的 各向同性/各向异性材料的热传递仿真中发挥了重要的作用。
[0003] 对于壁面温度边界条件、热流边界条件、对流换热边界条件与背景福射条件的各 向同性/各向异性材料的热传递仿真，目前W有限元法为代表的计算方法相对成熟，计算 效率与并行方法也相对成熟。然而，对于内腔真空福射问题，涉及到内腔中所有的有限元单 元之间的福射热传递，计算规模较大，并行方法尚不成熟，计算效率与并行效率尚需提高。
[0004] 因此，亟需设计一种基于有限元方法的内腔福射仿真的高效并行计算方法。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种基于有限元法的内腔真空福射仿真的高效 并行计算方法，实现内腔真空福射问题的高效仿真。
[0006] 为了实现送一目的，本发明采取的技术方案是：
[0007] -种凸边界的内腔真空福射仿真的高效并行计算方法，包括W下步骤：
[0008] 步骤1、采集具有内腔问题的固体结构的实际外形和物理尺寸，建立Η维实体单元 的有限元网格；
[0009] 采集本步骤建立的有限元网格的温度边界条件、热流边界条件、对流换热边界条 件的边界面网格；
[0010] 步骤2、采集固体结构的热传导系数；
[0011] 采集温度边界条件、热流边界条件与对流换热边界条件的边界条件值；
[0012] 其中，温度边界条件为边界温度值，热流边界条件为边界热流值，换热系数边界条 件换热系数值与已知的流体温度值；
[0013] 步骤3、采集内腔福射边界条件的边界面网格；
[0014] 采集内腔边界的发射率，记为ε ;
[0015] 步骤4、设置瞬态热传递计算的时间步长；设置计算总时间；
[0016] 步骤5、基于步骤1建立的Η维实体单元的有限元网格，对该网格进行均匀分区； 将分区数记为F ;
[0017] 步骤6、基于步骤3采集的内腔福射边界条件与步骤5建立的有限元分区网格，采 集每个网格分区中对应的内腔边界条件；
[001引将每个分区中的内腔边界面记为扣1,?…，啡};
[0019] 采集每个分区内腔边界面网格的面积A ;
[0020] 步骤7、基于步骤5的分区数量F，开启F个并行计算进程，每一个网格分区对应一 个计算进程；计算进程号与网格分区号对应；
[0021] 基于步骤1建立的Η维实体单元的有限元网格、步骤1采集的各个边界条件的边 界面网格、步骤2采集的固体热传导系数与各个边界条件的数值、步骤4设置的瞬态热传 递计算的时间步长与步骤5采集的分区网格，进行分区并行的不含内腔福射值的有限元计 算；
[002引步骤8、基于步骤6采集的每个分区的内腔边界面扣1,?…，叫，采集步骤7中计 算得到的每个分区的内腔边界面上温度值集合，记作化，了2,…，IV};
[0023] 其中，Ti(i = 1，2,…巧为第i个内腔边界面上的每个边界面网格的集合， 7;=巧，7；，···，?； }，（/二I，2,…、/Γ)，ni为第i个网格分区的内江边界面上的面单元数量；
[0024] 步骤9、基于步骤8得到的每个内腔边界单元上的温度值7；=巧·7；，···，7；)， (! = 1，2,-",巧..
[00巧]计算每个边界单元通过福射损失的能量^^^7：;>定义其为福射能量值，α = 1，2,…，巧，（j = 1，2,…，ni)，ni为第i个网格分区的内江边界面上的面单元数量；
[0026] 其中，ε为步骤3采集的内腔边界发射率，A为步骤6中采集的每个分区内腔边界 面网格的面积，0为Stefan-Boltzmann常量；
[0027] 步骤10、将步骤9计算得到的每个边界单元的福射能量值，存储到该单元对应的 计算进程的内存空间中；
[0028] 步骤11、基于步骤6采集的每个分区中的内腔边界面，在其对应的计算进程上的 所有内腔边界面上的网格单元进行遍历；
[0029] 步骤12、基于步骤9计算的每个边界单元的福射能量值，在步骤11的内腔边界 上的单元遍历过程中，每个边界单元遍历时接收其它所有边界单元所计算得到的福射能量 值；在该步骤中：
[0030] 1)若发送福射能量值的单元与正在遍历的单元位于同一块分区网格中，郝么说明 此时，福射能量值的传递是在同一个计算进程下完成的；此时直接通过内存的计算实现福 射能量值的传递；
[0031] 2)若发送福射能量值的单元与正在遍历的单元不在同一块分区网格中，郝么说明 此时福射能量值的传递需要从一个计算进程传递到另一个计算进程；此时通过跨进程的信 息发送和信息接收来实现福射能量值的传递；跨进程的信息发送与信息接收通过MPI并行 编程实现；
[0032] 步骤13、完成步骤12后，每个边界单元接收完所有其它边界单元的福射能量值， 得到其它单元因为福射传递到本单元而增加的能量；
[0033] 将步骤9计算得到的本边界单元的福射能量值，加上其它单元因为福射传递到本 单元而增加的能量，得到内腔福射后本单元获取的能量；
[0034] 步骤14、将步骤13得到的边界单元获取的能量作为能量输入，作为下一个时间步 中步骤7计算的边界条件；
[00巧]步骤15、结束步骤11开始的边界单元遍历；
[0036] 步骤16、更新计算时刻；若第η个时间步时的计算时刻为t，则n+1时间步的计算 时刻为t+Δ t ; Λ t表示第η个时间步时和第n+1个时间步时之间的时间间隔；
[0037] 步骤17、重复步骤7~16,直到当前计算时刻超过步骤4设置的计算总时间，计算 结束。
[0038] 进一步的，如上所述的一种内腔真空福射仿真的高效并行计算方法，步骤5中，通 过Meti S软件对网格进行均匀分区。
[0039] 本发明技术方案通过一种基于有限元法的内腔真空福射仿真的高效并行算法，通 过分区并行策略与遍历优化，实现了内腔真空福射问题的高效仿真。与传统的循环遍历法 相比，本发明基于分区并行计算的思想，设计了一种新的针对内腔真空福射的高效并行计 算方法，极大的提高了内腔真空福射问题的仿真效率。因此，本发明具有较高的实际应用价 值和很高的工程应用价值。
【具体实施方式】
[0040] 本发明设计了一种基于有限元法的内腔真空福射仿真的高效并行计算方法，通过 分区计算与并行策略两方面，极大的提高了内腔真空福射问题的仿真效率。仿真方法依次 包括W下步骤：
[0041] 步骤1、采集具有内腔问题的固体结构的实际外形和物理尺寸，建立Η维实体单元 的有限元网格；
[0042] 采集本步骤建立的有限元网格的温度边界条件、热流边界条件、对流换热边界条 件的边界面网格；
[0043] 步骤2、采集固体结构的热传导系数；
[0044] 采集温度边界条件、热流边界条件与对流换热边界条件的边界条件值；
[0045] 其中，温度边界条件为边界温度值，热流边界条件为边界热流值，换热系数边界条 件换热系数值与已知的流体温度值；
[0046] 步骤3、采集内腔福射边界条件的边界面网格；
[0047] 采集内腔边界的发射率，记为ε ;
[0048] 步骤4、设置瞬态热传递计算的时间步长；设置计算总时间；
[0049] 步骤5、基于步骤1建立的Η维实体单元的有限元网格，对该网格进行均匀分区； 将分区数记为F ;分区方法为行业公知，可使用成熟软件Metis实现；
[0050] 步骤6、基于步骤3采集的内腔福射边界条件与步骤5建立的有限元分区网格，采 集每个网格分区中对应的内腔边界条件；
[005。 将每个分区中的内腔边界面记为扣1,?…，叫；
[0052] 采集每个分区内腔边界面网格的面积A ;
[0053] 步骤7、基于步骤5的分区数量F，开启F个并行计算进程，每一个网格分区对应一 个计算进程；计算进程号与网格分区号对应；
[0054] 基于步骤1建立的Η维实体单元的有限元网格、步骤1采集的各个边界条件的边 界面网格、步骤2采集的固体热传导系数与各个边界条件的数值、步骤4设置的瞬态热传 递计算的时间步长与步骤5采集的分区网格，进