基于超級計算機的并行矩量法關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用.pdf

1、電磁散射和輻射特性分析對于飛機、衛(wèi)星、艦船等復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計具有重要意義，但系統(tǒng)級電磁問題的高精度仿真需要巨大的存儲量和計算量，因此長期以來都是電磁仿真計算領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性課題。幸運的是，國內(nèi)高效能超級計算機的高速發(fā)展為預(yù)警指揮飛機等國家重大戰(zhàn)略工程的電磁模擬提供了強有力支撐。為此，本文在矩量法的基礎(chǔ)上利用大規(guī)模并行計算技術(shù)來提高電磁計算能力并加速計算過程，并將其應(yīng)用于大型陣列天線輻射特性分析、預(yù)警指揮飛機的雷達天線布局和基站電磁污染評估等重

2、要工程領(lǐng)域。
　　本文深入研究了RWG基函數(shù)矩量法和高階基函數(shù)矩量法的關(guān)鍵理論，并根據(jù)算法特征，討論了矩量法的矩陣分布方案、矩陣并行填充方案、矩陣方程并行求解方案以及并行核外方案。同時詳細分析了RWG基函數(shù)矩量法并行化過程中引入的進程問冗余積分計算，提出了通過優(yōu)化網(wǎng)格編號消除進程間冗余積分的方案，并通過實例測試驗證了這一方案的高效性。
　　為充分發(fā)揮并行矩量法的矩陣方程求解性能，對矩陣分塊大小、進程網(wǎng)格、內(nèi)存緩沖區(qū)大小這三個

3、影響并行LU分解性能的主要參數(shù)進行了優(yōu)化選取，給出了在未經(jīng)測試時三個參數(shù)的一般選取準(zhǔn)則。同時分析了固態(tài)硬盤對核外求解器的加速效果。在此基礎(chǔ)上，在通用計算平臺和國產(chǎn)計算平臺中對高階基函數(shù)矩量法的并行性能進行了測試分析。在西安電子科技大學(xué)高性能計算集群系統(tǒng)中的并行規(guī)模達到2400 CPU核，以360 CPU核為基準(zhǔn)，2400 CPU核時的并行效率約為65％。在上海超級計算中心的“魔方”超級計算機中的并行規(guī)模達到4096 CPU核，以512

4、CPU核為基準(zhǔn)，4096 CPU核時的并行效率高于50％。在廣州超級計算中心的“天河二號”超級計算機中的并行規(guī)模達到12000 CPU核，以600 CPU核為基準(zhǔn)，12000 CPU核的并行效率高于65％。在國家超級計算濟南中心的國產(chǎn)“神威藍光”超級計算機中的并行規(guī)模高達102400CPU核，以320 CPU核為基準(zhǔn)，10240 CPU核的并行效率約為55％，以1536 CPU核為基準(zhǔn)，102400 CPU核的并行效率高于45％。通過測

5、試分析給出了這四個計算平臺中充分發(fā)揮計算機性能的內(nèi)存使用率范圍。值得指出，根據(jù)2015年5月的查新報告顯示，這是國際上最大并行規(guī)模的國產(chǎn)電磁仿真應(yīng)用。
　　在并行矩量法的工程實例中，本文利用并行高階基函數(shù)矩量法的核內(nèi)求解器與核外求解器分析了機載雷達天線布局、大型雷達陣列輻射特性、移動基站電磁輻射等復(fù)雜電磁問題。作為核內(nèi)求解器的工程實例，針對平衡木式機載雷達相控陣布局問題，分析了相控陣安裝在飛機平臺不同位置以及主波束在水平面和俯仰面

6、相位掃描時的受擾輻射特性;針對圓盤式機載八木陣列布局問題，分析了八木陣列安裝在飛機平臺不同高度以及主波束指向機頭、機翼、機尾時的受擾輻射特性。作為核外求解器的工程實例，分析了大型波導(dǎo)縫隙陣和大型微帶天線陣的電磁輻射特性、平衡木式機載微帶兩面陣的電磁輻射特性以及移動通信基站在居民房屋內(nèi)的電磁輻射強度問題，值得指出，利用高階基函數(shù)矩量法求解時，機載雷達微帶兩面陣產(chǎn)生的雙精度復(fù)數(shù)稠密矩陣規(guī)模高達150萬，這是國際上已知的最大規(guī)模雙精度復(fù)數(shù)稠密