梁晓冰[1]2004年在《基于MPI的电磁场时域有限差分法的网络并行研究》文中提出时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain,简称FDTD)是一种优良的时域电磁场数值计算方法,随着计算机技术的进步发展迅速,应用领域也越来越广。但是这种方法在进行空间网格离散化时,必须满足数值色散对空间离散间隔的要求,即网格的最大尺寸要小于波长的十分之一,对于较大的电磁问题势必会产生大数量的网格,随着频率升高,单台PC机将很难提供足够的存储空间,且计算时间变长,计算性能降低。 由于时域有限差分法某点场量只与其相邻的场量有关,因此它非常适合于并行计算。MPI作为一种方便易行的进程间消息传递实现,所提供的通信函数非常便于C/C++编写的FDTD程序的调用,且大多数计算机厂商都提供它的兼容。本文在简单讲述了FDTD的原理后,详细描述了这种并行编程环境和它的运行平台—并行计算机,然后根据时域有限差分法的可并行化的特点,对它在一维、二维、叁维情况下自由空间、Mur吸收边界条件、G-PML吸收边界条件、总场—散射场连接边界、输出边界、源等问题的并行进行了详细分析,讨论了并行编程中MPI的四种通信模式和阻塞、非阻塞式通信的调用方法,并编程实现了它的并行运算,得到了较理想的结果,验证了它的可行性和高效性。最后对程序效率的提高方法进行了讨论。
丁伟[2]2007年在《时域有限差分法关键技术及其应用研究》文中研究说明时域有限差分(FDTD)法作为电磁场数值模拟中最重要的方法之一,可以成功地解决一大批工程问题。然而,应用FDTD方法处理现代复杂电磁工程问题时,由于不断涌现出的新情况,致使它不能较好的满足工程需求,这使得修正的或者全新的算法研究必须进行。基于上述原因,本文对FDTD方法的几种关键技术及其电磁应用进行了深入研究,主要工作可以概括为：(1).研究了各向同性左手媒质中基于Drude色散媒质模型的FDTD方法,根据电位移矢量D和磁感应强度B作为辅助中间变量,采用辅助差分方程(ADE)法推导出了各向同性色散FDTD的迭代方程,解决了数值计算中的不稳定性,系统地研究了柱面波和连续高斯波束在左手媒质中的传播特性,深入揭示了左手媒质的电磁特性；(2).针对实际复合材料构成的左手媒质都是各向异性的特点,提出了电磁波从各向同性右手媒质(RHM)斜入射到双轴各向异性左手媒质(BA-LHM)时发生负折射应满足的条件。根据理论分析结果,给出了满足条件的BA-LHM的介电常数和磁导率组合,应用基于各向异性Drude色散媒质模型的FDTD方法数值上验证了理论的正确性；(3).针对采用单一数值方法分析放置于复杂介质附近任意指向线天线相互作用较困难的问题。在惠更斯原理的基础上,实现了MoM与FDTD混合算法,MoM分析线天线而FDTD分析介质结构,通过总场-散射场边界将FDTD产生的散射场用于修正MoM的电压矩阵,通过若干次迭代,得到的稳定解能有效地把介质体对线天线的影响考虑在内,通过典型算例与FEKO软件计算结果的对比,表明了此混合方法是有效的；(4).在国内,组建了一个高性能的PC集群系统,从场值通信的角度介绍并实现了PC集群系统中基于MPI的并行FDTD方法,提出了叁维并行FDTD方法的流程,通过典型辐射问题和散射问题的算例分析,提出了并行FDTD方法中最佳虚拟拓扑的概念。(5).根据PC集群系统下基于MPI的并行FDTD方法中进程最佳虚拟拓扑的两个结论,在计算资源有限的情况下,采用叁维最佳进程虚拟拓扑形式,探索了并行FDTD方法在微波多芯片组件互连过孔的散射特性、PBG微带滤波结构的滤波特性、(含PBG高阻表面)圆波导口径辐射天线的辐射特性、典型军舰和飞机电大尺寸平台天线的远场辐射和近场隔离特性以及典型军舰和飞机涂敷有耗介质前后的RCS特性的工程应用,取得了满意的计算结果。
张光辉[3]2015年在《CPU/MIC异构平台中矩量法与时域有限差分法的研究》文中研究表明计算电磁学是设备电磁特性分析与设计的必要手段,当前精细仿真是电磁仿真的主流方向,然而这会对计算性能带来更大的需求。利用计算能力更强的平台来求解大规模电磁场问题是计算电磁学领域中的热点和挑战之一。异构集群相对于传统CPU集群具有更强大的计算能力,“天河二号”超级计算机便采用了至强融核协处理器(MIC)。然而,目前还没有发现在CPU/MIC异构平台上研究计算电磁学问题的论文发表。本文选取了两种经典的计算电磁学算法,矩量法和时域有限差分法,将这两种算法应用到CPU/MIC异构集群上。矩量法是电磁特性仿真计算中精确度最高的数值方法,同时也是一个计算密集、存储密集的数值方法。并行矩量法可大大加快求解效率,它采用了ScaLAPACK式的矩阵并行分布策略,利用MPI并行技术实现节点之间的通信。根据现有并行矩量法的程序分析结果和MIC的硬件特性,利用offload编程模式加速矩阵求解部分。在MPI进程中利用Open MP技术开起多线程,指定线程分配MIC上的任务以及传输数据。同时为了突破MIC内存的限制,优化主机端同设备端的数据传输速率,进一步研究了“MIC卡上内存—CPU内存”的核外算法。通过设计双BUFFER的异步通信架构,来实现MIC上通信与计算任务的重迭,到达缩短计算时间的目的,并对数据传输的方式和一些参数作了相关优化。最后矩量法的加速方案取得了良好的加速效果。并行FDTD程序相对于并行MoM而言模块较少,在其加速过程中,借鉴在矩量法的工作经验,首先划分了CPU、MIC的任务数据。根据FDTD的程序特点结合测试数据设计了跨节点的并行方案,并优化主机端和设备端的数据传输,最后确定了CPU同MIC间同步通信的加速方案。
陈伶璐, 周海京, 李瀚宇, 傅海军, 廖成[4]2013年在《并行时域有限差分法网格自动剖分技术》文中提出为了构建适合于时域有限差分法求解的离散几何模型,摆脱大量繁杂的手工操作,提出了一种高效的大规模并行时域有限差分法网格自动剖分技术.该并行剖分方法将叁角面元计算机辅助设计模型文件作为输入数据,能够自动建立包含多种介质的任意叁维实体网格模型,且其并行执行过程中无需过多的数据交换,并行效率可达99%.基于该离散模型自动生成技术,采用时域有限差分方法,计算了含微带板的简易计算机机箱耦合效应,其计算结果与商用电磁仿真软件的计算结果相吻合,表明该剖分方法的准确性.最后,通过250个处理器核,并行剖分了网格规模约6亿的某真实计算机机箱模型,其并行剖分时间仅为0.2 s,验证了该并行剖分方法的高效性,表明该网格剖分技术能有效地解决大规模并行时域有限差分法的离散几何建模问题.
参考文献：
[1]. 基于MPI的电磁场时域有限差分法的网络并行研究[D]. 梁晓冰. 国防科学技术大学. 2004
[2]. 时域有限差分法关键技术及其应用研究[D]. 丁伟. 西安电子科技大学. 2007
[3]. CPU/MIC异构平台中矩量法与时域有限差分法的研究[D]. 张光辉. 西安电子科技大学. 2015
[4]. 并行时域有限差分法网格自动剖分技术[J]. 陈伶璐, 周海京, 李瀚宇, 傅海军, 廖成. 西南交通大学学报. 2013