传热设备热传导的三对角异构众核并行求解方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种传热设备热传导的三对角异构众核并行求解方法及系统，涉及计算机处理技术领域。包括步骤：采集传热设备的热传导参数，建立传热模型；输入热传导参数至传热模型，构建热传导方程；通过差分和转化得到关于热传导的三对角线性方程组；通过并行消元的方法对三对角矩阵方程数据消除数据依赖；抽取部分组成小型三对角矩阵方程；采用追赶法求解缩减三对角矩阵方程；将各个进程以任务并行的方式回代输出三对角矩阵方程剩余全部解；并根据求解结果绘制温度变化曲线，获得热传导过程的温度变化。解决了传热设备热传导现象模拟仿真过程中，需要求解的三对角矩阵方程规模较大，导致热传导过程的分析过程耗时较长，结果不够准确的问题。准确的问题。准确的问题。

【技术实现步骤摘要】
传热设备热传导的三对角异构众核并行求解方法及系统


[0001]本专利技术涉及计算机处理
，尤其涉及一种传热设备热传导的三对角异构众核并行求解方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]现有工业上有许多以热传导为主的传热过程，如橡胶制品的加热硫化、钢锻件的热处理等。在窑炉、传热设备和热绝缘的设计计算及催化剂颗粒的温度分布分析中，热传导规律都占有重要地位。在高温高压设备(如氨合成塔及大型乙烯装置中的废热锅炉等)的设计中，也需用热传导规律来计算设备各传热间壁内的温度分布，以便进行热应力分析。以传热设备为例，传热设备的热传导过程是一个复杂的物理现象，即其传热过程难以直观显示且不易被分析。现有技术中常采用经验法或者仿真模拟的方法进行热传导过程进行分析或预测。经验法依靠操作人员的以往经验，得到的分析结果偏差较大，往往与实际情况不符。所以一般会选择构建仿真模型建立热传导方程并求解的方法从而获得更为准确的热传导情况分析结果。
[0004]专利技术人发现，在热传导方程求解的过程中会产生三对角矩阵方程，而现有技术对于三对角矩阵方程的并行算法已有多种，包括循环递增的并行算法、循环约化的并行算法、分裂法等，但并行规模非常有限。在传热设备热传导过程中随着模拟仿真问题逐渐复杂，数值模型涉及的参数愈多，形成的三对角矩阵方程规模越来越大，矩阵规模高达百万维甚至千万维以上，工作站和小规模单集群处理器性能无法满足大规模计算对于计算速度、精确度的要求，导致热传导过程的分析过程耗时较长，结果不够准确。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种传热设备热传导的三对角异构众核并行求解方法及系统，能够实现在新一代神威架构上对大规模三对角矩阵方程进行快速求解，解决传热设备在热传导模拟仿真过程中，需要求解的三对角矩阵方程规模较大，导致热传导过程的分析过程耗时较长，结果不够准确的问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0007]本专利技术第一方面提供了一种传热设备热传导的三对角异构众核并行求解方法，包括以下步骤：
[0008]采集传热设备的热传导参数，建立传热模型；输入热传导参数至传热模型，构建热传导方程；
[0009]对热传导方程通过差分和转化得到关于热传导的三对角线性方程组；
[0010]根据三对角线性方程组建立进程，进程包括由主核组成的主核组和由从核组成的从核组；通过并行消元的方法对三对角矩阵方程数据消除数据依赖；对并行消元后形成的
新的三对角矩阵方程抽取部分组成小型三对角矩阵方程；采用追赶法求解缩减三对角矩阵方程；
[0011]将各个进程以任务并行的方式回代输出三对角矩阵方程剩余全部解；并根据求解结果绘制温度变化曲线，获得热传导过程的温度变化。
[0012]进一步的，热传导参数包括介质的热传导率、介质的比热、介质的密度和表面热传导系数。
[0013]进一步的，通过并行消元的方法对三对角矩阵方程数据消除数据依赖之前，使用条件运算符判断进程和矩阵规模之间是否整除，若整除，则通过并行消元的方法对三对角矩阵方程数据消除数据依赖，若非整除，则在数据传输过程中使用第一个进程和最后一个进程发送和接收非整除数据。
[0014]进一步的，通过并行消元的方法对三对角矩阵方程数据消除数据依赖的具体步骤为：
[0015]通过分段插桩计时，找到时间占比最长即计算热点部分为三对角矩阵方程并行消元部分，此时将此部分放进从核优化，进一步缩短求解时间。
[0016]通过修改求解表达式消除块间数据依赖，将三对角矩阵分块进行消元，使用直接访问内存(DMA)操作将主存中的数据放到从核局部存储空间进行访存优化。
[0017]更进一步的，将三对角矩阵分块进行消元的具体步骤为：将三对角矩阵进行分块得到多个子块，从核组中的每个从核负责处理一个子块，对子块中的三对角矩阵利用多个进程并行消去上对角线，再消去下对角线，分别引入非零元。
[0018]更进一步的，通过开辟两个数组大小的数据空间，将计算和通信叠加，在计算的同时获取下一次的数据。
[0019]进一步的，抽取的部分矩阵为：第一个进程的从核组中，在从核分块后的第一个子块的最后一行数据，其余所有子块的第一行和最后一行数据；最后一个进程的从核组中，在从核分块后的最后一个子块的第一行数据，其余子块的第一行和最后一行数据；剩余进程的从核组中，在从核分块后的每个子块的第一行和最后一行数据。
[0020]进一步的，将各个进程以任务并行的方式回代输出三对角矩阵方程剩余全部解的过程具体包括三个部分：第一个进程的求解，最后一个进程的求解以及其余所有进程的求解；第一个进程和最后一个进程各有两个求解表达式，其余所有进程仅有一个求解表达式。
[0021]进一步的，还包括验证求解结果正确性及误差，验证求解结果正确性及误差的具体步骤为：通过设置检查函数，在得出求解结果后，用残差来衡量误差程度。
[0022]本专利技术第二方面提供了一种传热设备热传导的三对角异构众核并行求解系统，包括：
[0023]数据获取模块，被配置为采集传热设备的热传导参数，建立传热模型；输入热传导参数至传热模型，构建热传导方程；
[0024]方程转化模块，被配置为对热传导方程通过差分和转化得到关于热传导的三对角线性方程组；
[0025]方程组求解模块，被配置为根据三对角线性方程组建立进程，进程包括由主核组成的主核组和由从核组成的从核组；通过并行消元的方法对三对角矩阵方程数据消除数据依赖；对并行消元后形成的新的三对角矩阵方程抽取部分组成小型三对角矩阵方程；采用
追赶法求解缩减三对角矩阵方程；
[0026]温度变化分析模块，被配置为将各个进程以任务并行的方式回代输出三对角矩阵方程剩余全部解；并根据求解结果绘制温度变化曲线，获得热传导过程的温度变化。
[0027]以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
[0028]本专利技术提供了一种传热设备热传导的三对角异构众核并行求解方法及系统，在温度变化分析过程中，针对现有技术无法解决传热设备热传导现象模拟仿真过程中，需要求解的三对角矩阵方程规模较大，导致热传导过程的分析过程耗时较长，结果不够准确的问题，基于新一代国产“神威”系列的超级计算机，采用申威26010pro芯片、异构众核的体系架构，在原有的算法基础上结合追赶法，增加非整除部分、增加验证部分，使算法更加完善。在并行层次划分上结合三种方式，从核上进行数据分块，采用访存优化、计算和通信叠加优化、SIMD数据向量化，提高在神威架构上求解三对角矩阵方程的计算效率。本专利技术改进后的算法能够缩短求解方程组阶段的时间，之后得到离散点上的数值解，最后经过后处理，就可以分析得到准确的传热设备在热传导过程中的温度变化。
[0029]本专利技术附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.传热设备热传导的三对角异构众核并行求解方法，其特征在于，包括以下步骤：采集传热设备的热传导参数，建立传热模型；输入热传导参数至传热模型，构建热传导方程；对热传导方程通过差分和转化得到关于热传导的三对角线性方程组；根据三对角线性方程组建立进程，进程包括由主核组成的主核组和由从核组成的从核组；通过并行消元的方法对三对角矩阵方程数据消除数据依赖；对并行消元后形成的新的三对角矩阵方程抽取部分组成小型三对角矩阵方程；采用追赶法求解缩减三对角矩阵方程；将各个进程以任务并行的方式回代输出三对角矩阵方程剩余全部解；并根据求解结果绘制温度变化曲线，获得热传导过程的温度变化。2.如权利要求1所述的传热设备热传导的三对角异构众核并行求解方法，其特征在于，热传导参数包括介质的热传导率、介质的比热、介质的密度和表面热传导系数。3.如权利要求1所述的传热设备热传导的三对角异构众核并行求解方法，其特征在于，通过并行消元的方法对三对角矩阵方程数据消除数据依赖之前，使用条件运算符判断进程和矩阵规模之间是否整除，若整除，则通过并行消元的方法对三对角矩阵方程数据消除数据依赖，若非整除，则在数据传输过程中使用第一个进程和最后一个进程发送和接收非整除数据。4.如权利要求1所述的传热设备热传导的三对角异构众核并行求解方法，其特征在于，通过并行消元的方法对三对角矩阵方程数据消除数据依赖的具体步骤为：通过分段插桩计时，找到时间占比最长即计算热点部分为三对角矩阵方程并行消元部分，此时将此部分放进从核优化，进一步缩短求解时间。通过修改求解表达式消除块间数据依赖，将三对角矩阵分块进行消元，使用直接访问内存操作将主存中的数据放到从核局部存储空间进行访存优化。5.如权利要求4所述的传热设备热传导的三对角异构众核并行求解方法，其特征在于，将三对角矩阵分块进行消元的具体步骤为：将三对角矩阵进行分块得到多个子块，从核组中的每个从核负责处理一个子块，对子块中的三对角矩阵利用多个进程并行消去上对角线，再消去下对角线，分别引入非零元。...

【专利技术属性】
技术研发人员：田敏，刘淇，王英龙，杨美红，潘景山，杜伟，张赞军，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学山东省科学院，
类型：发明
国别省市：