蒙特卡羅粒子輸運(yùn)的組合幾何區(qū)域分解并行算法研究與應(yīng)用.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬和理論分析、科學(xué)實(shí)驗(yàn)被公認(rèn)為并列的三大科學(xué)研究方法。在核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)、臨界安全分析及屏蔽問(wèn)題的粒子輸運(yùn)數(shù)值模擬中，蒙特卡羅方法（Monte Carlo方法，簡(jiǎn)稱MC方法）是非常重要的一種方法。它基于組合幾何建模，具有幾何仿真能力強(qiáng)、物理建模完善、對(duì)粒子能量和飛行角度等近似程度小、同時(shí)對(duì)問(wèn)題維度不敏感等特點(diǎn)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
　　由于進(jìn)行蒙特卡羅輸運(yùn)模擬的粒子之間相互獨(dú)立，因此一般都采用粒子并行方式進(jìn)行并

2、行計(jì)算，每個(gè)處理器核上需要存儲(chǔ)整個(gè)模型的幾何單元和計(jì)數(shù)量。然而，隨著粒子輸運(yùn)數(shù)值模擬的不斷深入，物理建模日益完善和精細(xì)，導(dǎo)致模型幾何規(guī)模急劇上升，對(duì)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和速度提出了巨大挑戰(zhàn)。核反應(yīng)堆精細(xì)模型的堆芯幾何單元多達(dá)數(shù)百萬(wàn)乃至上千萬(wàn)，計(jì)數(shù)量更是高達(dá)上億，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)單處理器核的內(nèi)存存儲(chǔ)量，使得傳統(tǒng)粒子并行方式的蒙特卡羅程序無(wú)法模擬。
　　本文立足核反應(yīng)堆安全分析中的全堆芯pin-by-pin精細(xì)模型的蒙特卡羅粒子輸運(yùn)計(jì)算問(wèn)題，結(jié)合新型

3、多核并行機(jī)的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以計(jì)算組合幾何單元數(shù)達(dá)到千萬(wàn)量級(jí)以上、計(jì)數(shù)存儲(chǔ)量達(dá)到十億量級(jí)的超大規(guī)模模型為目標(biāo)，研究蒙特卡羅粒子輸運(yùn)區(qū)域分解并行計(jì)算中的關(guān)鍵技術(shù)。
　　本文首先設(shè)計(jì)了基于樹結(jié)構(gòu)的高效區(qū)域剖分算法和區(qū)域影像區(qū)構(gòu)造算法，分解幾何單元及計(jì)數(shù)存儲(chǔ)量到多個(gè)處理器上，兼顧負(fù)載平衡，解決了內(nèi)存存儲(chǔ)問(wèn)題;結(jié)合蒙特卡羅粒子輸運(yùn)計(jì)算的特點(diǎn)，面向粒子在區(qū)域間的高效傳遞，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了高效的非規(guī)則數(shù)據(jù)通信算法，以支持異步粒子輸運(yùn);將區(qū)域分解并行

4、算法與傳統(tǒng)的粒子并行算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模兩級(jí)耦合并行計(jì)算，解決了區(qū)域分解并行可擴(kuò)展性等關(guān)鍵問(wèn)題;同時(shí)研究并實(shí)現(xiàn)了層次式的多級(jí)并行隨機(jī)數(shù)派生方法，確保串并行計(jì)算結(jié)果一致。并集成研究成果到蒙特卡羅粒子輸運(yùn)支撐軟件框架JCOGIN上。
　　其次，針對(duì)基于JCOGIN框架研發(fā)蒙特卡羅中子光子耦合輸運(yùn)程序JMCT的需求，進(jìn)行了在并行框架下的軟件實(shí)現(xiàn)研究，根據(jù)中子、光子兩種粒子在輸運(yùn)模擬中的特點(diǎn)，凝結(jié)數(shù)學(xué)上的共性，支持物理上的個(gè)性，設(shè)計(jì)了

5、處理粒子位置移動(dòng)的輸運(yùn)模塊和封裝粒子物理過(guò)程的物理模塊（分為中子物理模塊和光子物理模塊），實(shí)現(xiàn)了數(shù)學(xué)與物理的分離。進(jìn)一步在物理模塊中，根據(jù)核反應(yīng)截面數(shù)據(jù)特性，設(shè)計(jì)了連續(xù)能量點(diǎn)截面物理模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分為參數(shù)類和碰撞類，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)與操作的分離。其中參數(shù)類分層次存儲(chǔ)了各種截面數(shù)據(jù)，碰撞類則根據(jù)粒子能量插值計(jì)算各種相應(yīng)截面，并嚴(yán)格遵循碰撞物理過(guò)程實(shí)現(xiàn)各種抽樣處理。將研究成果在JMCT程序上實(shí)現(xiàn)，并采用多個(gè)國(guó)際基準(zhǔn)模型和考核模型進(jìn)行了全方面的驗(yàn)

6、證和確認(rèn)。
　　最后，基于大亞灣核電站的壓水堆全堆芯pin-by-pin精細(xì)模型，開展了蒙特卡羅粒子輸運(yùn)區(qū)域分解并行計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)幾何單元從幾十萬(wàn)到千萬(wàn)的兩種類型的全堆芯pin-by-pin模型，實(shí)現(xiàn)了多種剖分方式的區(qū)域分解并行計(jì)算，以及區(qū)域分解與粒子并行耦合的兩級(jí)并行計(jì)算對(duì)該模型的臨界模擬計(jì)算。
　　計(jì)算結(jié)果表明，區(qū)域分解并行算法的模擬結(jié)果正確，且降低了單處理器核的內(nèi)存需求，能夠模擬單純粒子并行無(wú)法模擬的超大規(guī)模模型

7、，解決了蒙特卡羅粒子輸運(yùn)面臨的內(nèi)存挑戰(zhàn)，同時(shí)能夠確保串并行結(jié)果一致。對(duì)于幾何單元過(guò)千萬(wàn)、采用49群能量分群計(jì)數(shù)的256層全堆芯pin-by-pin模型，僅計(jì)數(shù)存儲(chǔ)量就超過(guò)12G，遠(yuǎn)超過(guò)單核內(nèi)存，僅依靠粒子并行無(wú)法進(jìn)行模擬，現(xiàn)采用區(qū)域分解并行算法對(duì)整個(gè)模型和計(jì)數(shù)進(jìn)行八剖分，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該模型的模擬。
　　針對(duì)多種區(qū)域剖分方式進(jìn)行了詳細(xì)的并行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，區(qū)域分解并行算法與粒子并行相結(jié)合的兩級(jí)并行的并行效率和可擴(kuò)展性非常好，處理器核