大规模几何建模和自适应笛卡尔网格生成并行算法研究

在计算电磁学、计算流体力学等诸多领域，随着实际工程计算中几何外形和物理特性越来越复杂，几何建模和网格生成这两个前处理组成部分花费的时间越来越长。前处理已经成为大规模实际工程计算中的主要性能瓶颈，而并行和自适应计算是最有可能的解决途径。本项目将针对笛卡尔网格应用的前处理部分，面向上万个处理器核，系统地研究以下内容：高效的三维实体建模并行算法、面向特征的复杂外形自适应网格生成并行算法；基于上述理论和技术，研制高效的三维并行前处理软件包，作为共性层面的软件模块服务于若干实际问题的大规模并行数值模拟。. 本项目的研究具有很强的应用牵引，是当前迫切需要解决的重要科学问题，并具有广泛的应用价值。

在计算电磁学等诸多领域，随着实际工程设计面临的几何外形和物理特性越来越复杂、以及庞大的计算量带来的实效性问题，几何建模和网格生成这两个前处理部分变得越来越困难，成为制约大规模数值模拟实际应用的主要瓶颈之一。大幅减少前处理时间并实现高精度计算是这些领域具有挑战性的问题，具有重大的科学意义。. 本项目面向大规模计算，针对电磁等典型应用前处理中并行计算瓶颈问题展开，实现前处理与并行计算主体之间的无缝连接，系统地研究了以下内容：分析了对称体旋转扫描、拉伸扫描、耦合孔等多种基本几何体建模方法，提出并实现了相对应的并行计算算法，形成了基本体素并行建模库；提出了并行变换技术，实现了不同并行建模方法导致的不同通信模式之间的并行转换；针对FDTD建模，提出了一种基于多重索引的影像区填充并行算法；在网格生成和自适应细化方面，提出了基于几何和物理特性的网格重构方法，以及多块结构网格拼接方法；在结合实际应用耦合并行前处理和计算主体程序研究中，提出了前后处理策略，以及基于共享与分布随机数的粒子发射算法等。上述方法和技术被应用于多个典型并行应用中，其中，具有自主建模模块的全电磁粒子模拟程序突破了网格规模难以扩展的瓶颈，前处理的并行实现使得网格规模从原来的最大千万量级扩展到上亿量级；基于CAD建模的JEMS-FDTD并行程序在天河二号计算机上的19万多个处理器核上实现了257亿网格规模的模拟计算。. 这些方法和技术的研究，着眼于实际应用瓶颈问题的解决，在促进具有复杂几何的实际应用大规模数值模拟上具有重要意义。