（计算机应用技术专业论文）基于pc机群的化工动态模拟的并行应用研究.pdf

南京工业大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文巾不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的村料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：童矗豸：盔对日期：丝! 叁：! 皇 二、关于学位论文使用授权的声明 南京工业大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社及清华同方光盘股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京工业大学研究生 部办理。 研究生签名：缓捌导师签名研究生签名：。；墨0 螽聋圈导师签名 _ 1 期 硕士学位论文 摘要 虽然随着计算机科学技术的快速发展，从第一台计算机产生至今，计算机的 性能已经增长了成千上万倍，但是人们对高性能计算的需求也在不断的提高。因 而在实践中，单个处理器还不能满足高性能计算的需求，这就促进了最近二三十 年以来并行处理技术的蓬勃发展。 化工过程模拟通常采用基于过程机理和严格物性计算的精确数学模型，这 类模型往往具有大规模、非线性的特点。一个典型的化工过程模拟的全联立方程 维数一般达到几万，有的甚至达到几十万。对于如此庞大的全联立方程，单纯采 用单机来求解显然需要耗费大量的计算时间。 虽然并行处理是解决这类问题的有效手段，但是专用的并行计算机价格昂 贵，而随着个人计算机的逐渐普及和网络设备价格的下降，采用个人计算机通过 互连网络组成的机群系统则为这类问题的解决提供了个可扩展性好、易于实现 的方案。在机群系统中，采用消息传递机制来实现进程间的通信。当前流行的基 于消息传递的并行编程环境是m p i ( m e s s a g ep a s s i n gi n t e r f a c e ) 和p v m ( p a r a l l e l v i r t u a l m a c h i n e ) 。本文以m p i 作为并行编程环境，在自建的p c 机群系统下进行 了机群并行方面的相关研究，并以精馏塔的动态模拟作为实例研究了化工动态模 拟在p c 机群上的并行化。 本论文首先介绍了并行处理的基本理论和化工动态模拟的基本情况，然后 介绍了p c 机群系统和m p i ( m e s s a g ep a s s i n gi n t e r f a c e ) 消息传递机制。在此基 础| 二，建立了基于w i n d o w s2 0 0 0 x p 和m p l 的p c 机群实验环境，通过对实验环 境并行性能的分析发现，p c 机群适合于求解大规模的问题，对于一定规模的问 题，虽然选用大规模机群总能缩短计算时间，但是整个机群的并行性能却不佳， 这时缩小机群的规模反而能够获得更高的并行性能，更能充分利用资源，而在计 算时间上相差并不大。最后总结了本论文所做的工作，并展望了后续的工作。 本文总共分为血章，其内容如f ： 第一章，主要介绍了并行计算机的产生、发展及其分类，并行处理的基本 理论，化工动态模拟的基本情况，并行处理技术在化工动态模拟中的应用现状， 摘要 以及本论文所做的主要工作。 第一二章，洋细介绍了p c 机群并行系统的组成和特点，机群环境下的并行编 程以及m p i 的通信模式。 第三章，介绍了自建的p c 机群系统的软硬件环境和通信系统，详细给出了 在w i n d o w s 环境下m p i 的实现和利用m p i 来实现并行编程的方法，最后对所搭 建的机群使用实例进行了并行性能分析。 第四章，描述了精馏塔动态模拟的数学模型，给出了求解模型的数学方法 和适合于在p c 机群上实现的并行算法，并根据精馏塔的自身特性划分了子系统。 第五章，给出了本文的总结，并对下一步的工作作出了展望。 关键词：并行处理化j j 动态模拟p c 机群m p i 硕士学位论文 a b s t r a c t a l t h o u g ht h ep e r f o r m a n c eo f t h ec o m p u t e rh a si n c r e a s e dt h o u s a n d so f t i m e sw i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ep e o p l e sd e m a n do f h i g h - p e r f o r m a n c ec o m p u t i n gi si n c r e a s i n gt o o t h e r e f o r ei np r a c t i c e ，t h e s i n g l e p r o c e s s o rc a nn o tm e e tt h ed e m a n do fh i g h - p e r f o r m a n c ec o m p u t i n g ，w h i c hp r o m o t e s t h ef l o u r i s h i n gd e v e l o p m e n to fp a r a l l e lp r o c e s s i n gt e c h n i q u ei nt h er e c e n tt w e n t yo r t h i r t yy e a r s c h e m i c a lp r o c e s ss i m u l a t i o nu s u a l l ya d o p t sa c c u r a t em a t h e m a t i cm o d e lw h i c h b a s e do np r o c e s sm e c h a n i s ma n ds t r i c tp h y s i c a lp r o p e r t i e sc a l c u l a t i o n t h i sk i n do f m o d e lo f t e nh a sl a r g es c a l ea n dn o n l i n e a rf e a t u r e t h ew h o l es i m u l t a n e o u se q u a t i o n s o ft h et y p i c a lc h e m i c a l p r o c e s ss i m u l a t i o ng e n e r a l l yi n c l u d et e n so ft h o u s a n d s e q u a t i o n s ，e v e ns o m eu pt oh u n d r e d so ft h o u s a n d s t os oe n o r m o u st h ew h o l e s i m u l t a n e o u se q u a t i o n s ，s i n g l ec o m p u t e rn e e dt os p e n dal a r g ea m o u n to fc a l c u l a t i o n t i m es o l v i n gt h e m t h o u g hp a r a l l e lp r o c e s s i n gi sa ne f f e c t i v em e a n st os o l v et h i sk i n do fp r o b l e m s ， t h es p e c i a lp a r a l l e lc o m p u t e ri sv e r ye x p e n s i v e w i t ht h eg r a d u a lp o p u l a r i z a t i o no f t h e p e r s o n a lc o m p u t e ra n dd e c l i n eo ft h ep r i c eo fn e t w o r ke q u i p m e n t ，p cc l u s t e rw h i c hi s e s t a b l i s h e dt h r o u g hi n t e r c o n n e c t i o nn e t w o r ko f f e r sas c h e m ew i t hw e l ls c a l a b i l i t ya n d h i g hu s a b i l i t y p c c l u s t e r a d o p t sm e s s a g ep a s s i n g m e c h a n i s mt or e a l i z e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np r o c e s s e s n o w , p o p u l a rp a r a l l e lp r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t i sm p i ( m e s s a g ep a s s i n gi n t e r f a c e ) a n dp v m ( p a r a l l e lv i r t u a lm a c h i n e ) ，w h i c hi s b a s e do i lt h em e s s a g ep a s s i n g t h i sp a p e rr e g a r d sm p ia sp a r a l l e lp r o g r a m m i n g e n v i r o n m e n t s o m er e s e a r c h e sa b o u tp a r a l l e lp r o c e s s i n gh a v eb e e na c h i e v e do n s e l f - b u i l tp cc l u s t e ld y n a m i cs i m u l a t i o no fd i s t i l l a t i o nc o l u m ni sr e g a r d e da sa n e x a m p l e t or e s e a r c ht h ep a r a l l e l i z a t i o no fc h e m i c a ld y n a m i cs i m u l a t i o no np cc l u s t e r t h i sd i s s e r t a t i o ne x p a t i a t e so nt h eb a s i ct h e o r yo ft h ep a r a l l e lp r o c e s s i n ga n dt h e b a s i cs i t u a t i o no fc h e m i c a ld y n a m i cs i m u l a t i o na tf i r s t ，a n dt h e ni n t r o d u c e sp cc l u s t e r i i j a 8 s t r a c t a n dt h e m e s s a g ep a s s i n gs y s t e mo fm p i o nt h eb a s i so ft h e s e ，ap cc l u s t e r e x p e r i m e n t a l e n v i r o n m e n tb a s e do nw i n d o w s2 0 0 0 x pa n dm p ii se s t a b l i s h e d t h r o u g ha n a l y z i n gp a r a l l e lp e r f o r m a n c eo fe x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n t ，p cc l u s t e ri s s u i t a b l ef o rs o l v i n gt h el a r g e s c a l ep r o b l e m s t oc e r t a i ns c a l ep r o b l e m s ，t h o u g ht h e l a r g e - s c a l ec l u s t e rc a na l w a y ss h o r t e nc a l c u l a t i o nt i m e ，t h ep a r a l l e lp e r f o r m a n c eo f t h e w h o l ec l u s t e ri sn o tg o o d h e r e ，o nt h ec o n t r a r ys m a l l s c a l ec l u s t e rc a no b t a i nh i g h e r p a r a l l e lp e r f o r m a n c ea n du t i l i z er e s o u r c e sf u l l y , b u tt h e r ei sn o tm u c hd i f f e r e n c e i n b o t hc a l c u l a t i o nt i m e f i n a l l y , c o n c l u s i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na n ds u g g e s t i o n so f f u t u r ew o r ka r eg i v e n t h i st h e s i sh a sf i v ec h a p t e r s c h a p t e r 1 m o s t l y i n t r o d u c e st h e g e n e r a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n t a n dt h e c l a s s i f i c a t i o no ft h ep a r a l l e lc o m p u t e r , t h eb a s i ct h e o r yo ft h ep a r a l l e lp r o c e s s i n ga n d t h eb a s i cs i t u a t i o no fc h e m i c a ld y n a m i cs i m u l a t i o n ，t h ea p p l i c a t i o na c t u a l i t yo f p a r a l l e lp r o c e s s i n gt e c h n i q u ei nt h ec h e m i c a ld y n a m i cs i m u l a t i o n ，a n da l s oi n t r o d u c e s r e s e a r c he f f o r to ft h i st h e s i s c h a p t e r2d e t a i l e d l ye x p l a i n st h ec o m p o s i t i o na n dt h ef e a t u r eo fp cc l u s t e r , p a r a l l e lp r o g r a m m i n go nc l u s t e ra n dc o m m u n i c a t i o nm o d eo f m p i c h a p t e r3e x p a t i a t e s o nt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ee n v i r o n m e n ta n dt h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mo fs e l f - b u i l tp cc l u s t e r t h e nt h er e a l i z a t i o no fm p io n w i n d o w sa n dt h em e t h o do fr e a l i z i n gp a r a l l e lp r o g r a m m i n gw i t hm p ia r eg i v e n l a s t l y ，t h ep a r a l l e lp e r f o r m a n c eo fs e l f - b u i l tp c c l u s t e ri sa n a l y z e d c h a p t e r4d e s c r i b e sd y n a m i cm a t h e m a t i cm o d e lo fd i s t i l l a t i o nc o l u m n ，a n dp u t s f o r w a r dt h em a t h e m a t i cm e t h o df o rs o l v i n gm o d e la n dt h ep a r a l l e la l g o r i t h mw h i c hi s s u i t a b l ef o rp cc l u s t e r , a n dd i v i d e ss u b s y s t e ma c c o r d i n gt ot h es e l ff e a t u r eo ft h e d i s t i l l a t i o nc o l u m n c h a p t e r 5s u m m a r i z e st h i st h e s i sa n dl o o k sf o r w a r dt ot h en e x t j o b k e y w o r d s ：p a r a l l e lp r o c e s s i n gc h e m i c a ld y n a m i cs i m u l a t i o n ；p cc l u s t e r ；m p i 硕士学位论文 第一章绪沦 1 1 并行计算机概述 1 1 1 并行计算机的概念 并行计算机是相对串行计算机而言的，所谓串行计算机就是只有单个处理 单元顺序执行计算程序的计算机，所以也称为顺序计算机。相对串行计算机来说， 对于并行计算机可以给出如下一个很好的概括：并行计算机是“一组相互通信、 相互协作以快速求解大型问题的处理单元”“1 。 1 1 2 并行计算机的产生及发展 自从4 0 年代第一台电子计算机问世以来，虽然计算机技术取得了迅速的发 展，但是整个计算机系统仍然沿袭着冯诺依曼体系结构。在过去的一段时间里， 电子工业的发展帮助设计者制造出更快的计算机，然而随着电子元器件逐渐接近 其自身的物理极限，获得这种提高的空间越来越小”1 。这种趋势表明通过单个处 理器来提供高性能是困难的，而采用并行体系结构是必然的。 到目前为止，计算机系统的并行性发展主要经历了以下几个阶段。 ( 1 ) 1 9 6 0 年以前 在这段时期里，并行性发展主要表现在算术运算的位并行以及运算器和输入 输出操作的并行。 ( 2 ) 1 9 6 0 年至1 9 7 0 年 在这段时期里，计算机系统结构和软件都有了迅速发展，并行性得到进一步 开发，出现流水线单处理机系统。 ( 3 ) 1 9 7 0 年至1 9 8 0 年 在这段时期罩，大规模集成电路的普遍应用更加快了并行处理系统结构的发 展，出现了如大型和巨型的向量计算机、阵列计算机等多种并行处理系统结构。 ( 4 ) 1 9 8 0 年以来 从8 0 年代开始，计算机在系统结构上又有许多创新和突破，其中影响较大 的有精简指令系统计算机( r i s c ) 、数据流计算机和智能计算机等。目前r i s c 结 构正在向高度并行化方面发展，出现了超级标量( s u p e r s c a l e ) 、超级流水线 绪论 ( s u p e r p i p e l i n g ) 等结构形式。 1 1 _ 3 并行计算机的分类4 很多人从不同的观点、不同的角度，对现有的计算机系统提出许多不同的分 类方法。本小节简单介绍两种常见的分类法。 ( 1 ) f l y n n 分类法 1 9 6 6 年，美国的m i c h a e lj f i y n n 提出按计算机系统中指令流和数据流组 织的多倍性状况来划分计算机系统。其中指令流是指机器执行的指令序列；数据 流是指由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果；而多倍性是指在系 统性能瓶颈部件上处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。据此，可以 把计算机系统分成四类，分别为： 单指令流单数据流计算机：s i s d ( s i n g l ei n s t r u c t i o ns t r e a ms i n g l ed a t a s t r e a m ) 计算机，即传统的只有一个处理机的串行计算机： 单指令流多数据流计算机：s i m d ( s i n g l ei n s t r u c t i o ns t r e a mm u l t i p l ed a t a s t r e a m ) 计算机，s i m d 系统是一类非常重要的并行计算机系统，代表性的例子是 阵列处理机和相联处理机； 多指令流单数据流计算机：m i s d ( m u l t i p l ei n s t r u c t i o ns t r e a ms i n g l ed a t a s t r e a m ) 计算机，此类计算机目前实际应用的不多； 多指令流多数据流计算机：m i m d ( m u l t i p l ei n s t r u c t i o ns t r e a mm u l t i p l ed a t a s t r e a m ) 计算机，m i m d 系统是指能实现作业、任务、指令、数组各级全面并行的 多处理机系统，如多处理机和多计算机均属于此类计算机。这类计算机是目前并 行计算机发展的主要方向。 ( 2 ) h a n d l e r 分类法 1 9 7 7 年，德国的h a n d l e r 教授根据计算机系统中流水线和并行度出现的级 别来进行分类。 l l a n d l e r 分类法把计算机的硬件结构分为三个层次，分别为：p c u 代表处理 器控制单元，对应于一个处理器或c p u ；a 1 。u 代表每个处理器控制单元中所包含 的算术逻辑单元，对应于功能单元或处理单元；b l c 代表每个a l u 中完成二进制 位处理所用的位级电路。从而可以将一台计算机用三对组( 三元整数) 来描述： t ( c ) = k k ，d d7 ，w w7 硕士学位论文 其中：k 表示p c u 的数目，k7 表示能够流水线执行的p c u 的数目； d 表示每个p c l 所控制的a l u 数目，d 表示能够流水线执行的a l u 数目： w 表示a l u 或处理单元p e 中的位数，w 表示在所有a l u 或单一个p e 中流水线的段数。 上述两种分类基本上只适用于传统的冯诺依曼型机器的分类。从研究并行 算法的角度出发，人们一般采用f l y n n 分类法。 1 2 并行处理的基本理论 1 2 1 并行性的开发策略 要实现或提高计算机系统的并行性，可以采用资源重复、时间重叠、资源共 享等技术手段。 ( 1 ) 采用资源重复的方法 就是在并行性概念中引入空间因素，通过使用多功能部件来实现或提高计算 机系统的可靠性和并行性。利用资源重复来提高速度的典型例子是具有n 个完全 相同的处理器，受同一控制器控制的以s i m d 方式工作的系统。 ( 2 ) 采用时蒯重叠的方法 就是在并行性概念中引入时间冈素，让多个处理过程在时间上相互错开，重 叠地使用同一套部件的各个部分，通过加快硬件的周转来赢得速度。流水线操作 就是这种并行方式的典型例子。 ( 3 ) 采用资源共享的方法 主要采用软件手段让用户按时间片来轮流使用同一套资源，这些资源包括 c p u 、存储设备和外部设备等硬件资源和软件资源，以提高利用率，从而提高整 个系统的性能。多道程序和分时系统就是利用软件手段来实现多用户或多道程序 共享c p u 、主存和外设等硬件资源的例子。 1 2 2 并行算法的定义和分类 算法( a l g o r i t h m ) 是为解决特定问题而采取的有限操作步骤的一种描述， 它是“指令”的有限序列，其中每一条指令表示一个或多个操作。1 。同样的，并 行计算是可以同时求解的各个进程的集合，各进程相互通信并且相互协作，从而 最终解决问题。并行算法就是对并行计算过程的一系列步骤的描述。 并行算法可以从不同的角度束进行分类，简单的可以分为数值计算并行算法 和非数值计算并行算法。其中数值计算是指基于代数关系运算的计算问题，如矩 阵运算、多项式求值、线性代数方程组求解等，求解数值计算问题的算法称为数 值算法。非数值计算主要是指基于比较关系运算的一类问题，例如排序、选择、 搜索、匹配等符号处理问题，相应的算法也称为非数值算法。 1 2 3 并行计算模型【6 】 计算模型就是对计算机的抽象，并行计算模型就是各种并行机的基本特征抽 取出来，形成一个在具体的并行机基础之上的抽象并行计算机。并行计算模型为 并行算法的设计、分析和评价提供了一定的基础。 迄今为止，虽然已经出现了多种并行计算模型，如p r a m 模型、l o g p 模型等， 但其中每一种只抽象了实际并行机的一个或几个方面，还没有一个通用的并行计 算模型。 ( 1 ) p r a m 模型 p r a m ( p a r a l t e lr a n da c c e s sm a c h i n e ) 模型，即并行随机存取模型，也称 之为共享存储器模型，是一种抽象的并行计算模型。在这种模型中，假定存在着 个容量无限大的共享存储器；有有限或无限个功能相同的处理器，且每个处理 器都具有简单的算术运算和逻辑判断功能；在任何时刻各处理器均可通过共享存 储单元相互交换数据。p r a m 可分为s i m d p r a m 和m i m d p r a m 。 p r a m 模型特别适合于并行算法的表达、分析和比较；使用简单，很多诸如 处理器问通信、存储管理和进程同步等并行机的低级细节均隐含于模型中；易于 设计算法和稍加修改便可运行在不同的并行机上：且有可能在p r a m 模型中加入 一些诸如同步和通信等需要考虑的问题。 但是p r a m 模型是一个同步模型，因此所有指令均按照锁步操作，此外， 共享单一存储器的假定也不适合分布存储的异步m i m d 机器，而假定每个处理 器均可以在单位时间内访问任意存储单元，不考虑存取竞争和带宽限制也是不现 实的。 为了更准确地抽象并行计算机系统，人们对p r a m 模型又做了许多修改， 主要有存储竞争模型、延迟模型、局部p r a m 模型以及分布存储模型。 ( 2 ) l o g p 模型 硕士学位论文 l o g p 模型是1 9 3 3 年c u l l e rd 等人在分析分布式存储计算机特点的基础上提 出的多计算机模型。该模型主要由4 个参数描述。 l ( l m e n c y ) ：源处理机与目的处理机进行消息通信所需要的等待或延迟时 间的上限。 o ( o v e r h e a d ) ：处理机准备发送或准备接收每个消息的时间开销，在这段时 间里处理机不能执行其他操作。 g ( g a p ) ：一台处理机连续两次发送或连续两次接收消息时的最小时f f j j 问隔， 其倒数即为处理机的通信带宽。 p ( p r o c e s s o r ) ：处理机的个数。 l o g p 模型充分揭示了分布存储并行计算机的性能瓶颈，用l 、o 、g 三个参 数刻画了通信网络的特性，但屏蔽了网络拓扑、选路算法和通信协议等具体细节。 1 2 4 并行计算的性能度量 在并行计算机上进行并行计算的主要目的就是为了加速整个计算过程。当一 个给定问题的并行计算建立起来后，就需要一个标准来对相应的并行计算进行评 判。性能度量的目的就是为了提供一个统一的衡量标准。目前对并行计算的性能 度量般涉及到运行时间、问题的规模与分类、具体的并行机性能以及并行评价 准则等方面的问题。本小节简单介绍一下并行计算性能度量的一些基本概念。 ( 1 ) 运行时间 进行并行计算的两个基本目标：一个是在问题规模一定的情况f ，缩短求解 时间；另一个是在给定时问范围内，扩大问题求解规模。并行计算的运行时问是 指在并行计算机上求解一个问题所需的时间。它表示算法开始直到算法执行完毕 所花的时间，主要包括输入输出( i 0 ) 时间、计算c p u 时间和并行开销( 包括 通信、同步等时间) 。 对于一个具体的并行算法，对其运行时间的分析应该包括上述三部分在内。 ( 2 ) 问题的规模与分类 能够求解的问题最大规模是并行计算机最重要的指标之一。问题的规模一般 可以分解为输入输出规模、计算规模、内存需求以及通信规模，分别表示问题求 解所需要的i o 量、计算量、内存大小和通信量( 包括通信次数和通信数据量) 。 不同类型的问题，其性能瓶颈也往往不同，并行算法就是要有针对性的消除相应 的瓶颈，从而达到缩短计算时间的目的。 ( 3 ) 加速比和并行效率 加速比和并行效率是传统的并行算法评价标准。加速比可以定义为：在给定 的并行计算系统上，在相同的情况下，对于同个问题的求解，并行算法( 并行 程序) 所需的运行时问相对于串行算法( 串行程序) 所加快的倍数。 可以用如下公式来表示加速比： s p 2 t s t o 在这里，t 。表示串行算法的所需的执行时问，t 。表示并行算法的所需的执 行时间，其中p 是参与计算的处理器个数。s 。表示加速比，用于度量算法并行性 对于求解问题所需运行时间的改进程度。显然，加速比越大，并行算法就越好。 在理想情况下，s p p ，但是在绝大多数情况下， 方面由于所求解的问题不可 能完全并行化，总是或多或少的存在着一些无法并行处理而只能串行处理的部 分；另一方面由于并行计算机在进行并行计算时存在着+ 定的并行开销( 同步、 通信等所花费的时间) ，因此实际上加速比s 。最大不会超过处理器的个数p 。 并行效率是和加速比关系密切的另一个眭能尺度。它是加速比与处理器个数 的比值。可用如卜- 公式来表示： e p = s j p 2 t 5 p t p e 。用来度量并行计算机系统中处理器能力发挥的程度。 ( 4 ) 可扩展性2 】 对于大多数并行系统来说，当问题规模固定时，加速比会随着处理器数目的 增加而降低；而当处理器数目固定时，加速比会随着问题规模的增加而上升。并 行系统的可扩展性就是指随着问题规模和处理器数目的增加，并行系统性能的改 变。如果并行系统的性能能够随着系统规模的扩展而不断提高，则可以说此并行 系统是可扩展的。可扩展性是设计良好的并行系统所追求的一个重要目标。 1 3 化工动态过程模拟综述 】3 1 化工过程模拟的发展历程 化工过程模拟技术的发展经历了以下几个时期”“8 “。 2 0 世纪5 0 年代中后期是起步阶段，当时一些主要的化工单元操作设备的计 算机程序均已建立，在此基础上很自然地将这些程序串联起来，形成了化工过程 6 硕士学位论文 模拟的雏形。虽然由于当时缺乏精确的物性数据，凶而造成模拟计算的结果和实 际情况往往出入很大，但是仍然有不少化工企业给予化工过程模拟很大支持。 6 0 年代是化工过程模拟的初始发展期，f o r t r a n 等高级语言的问世和计算 机性价比的逐渐提高，为化工过程模拟的普遍应用提供了物质基础。1 9 6 1 年 w i l l i a m s 首先提出“化工系统的模拟和分析”，把化工过程模拟上升到理论高度。 从7 0 年代起，过程模拟进入了它的成长壮大期，化工过程模拟的可靠性不 断提高，应用范围不断扩大，变成了化学工程师的常用工具。一些公司相继推出 功能更加完善的软件，如科学模拟公司在1 9 7 9 年推出的p r o c e s s 系统和m i t 在美国能源部的资助下于1 9 7 6 年开发的a s p e n 系统。 八十年代以后随着相关学科的蓬勃发展，化工过程模拟软件在技术上日益成 熟，软件功能不断扩大，并有大量的配套软件，使用更加方便，软件商品化的进 程也大大加速，a s p e n 技术公司、凯姆谢尔公司和考德公司分别推出了a s p e n p l u s 、d e s i g ni i 、m i c r oc h e s s 等通用的化工过程模拟软件。与此同时，国 内也开发了一些应用软件，但与国外模拟软件相比，还存在较大差距。 从9 0 年代开始，是化工过程模拟的深入发展期，最主要的特点是从稳态模 拟发展到动态模拟，从单纯的过程计算发展到和工业装置紧密相连，这一时期， 化工过程模拟获得了大范围的推广应用，成为工业界的重要技术手段。 些化工 模拟公司，一方面致力于开发功能更加完备的通用软件；另一方面与化工企业合 作开发专用过程模拟程序，以指导现有装置的操作和新装置的设计。这一时期圈 内在发展化工过程模拟技术方面做了大量的工作，取得了一批研究成果，但普及 程度和运用程度远不及国外发达国家，在商品化和产业化方面与国外相比存在着 较大的差距，国内独立，1 ：发的模拟软件产品有待进一步商品化。 1 3 2 化工动念模拟简介 化工动态模拟就是建立数学模型来研究一个化工过程的动态特性，它是最近 十多年以来在稳态模拟的基础上发展起来的，其所研究的化工过程随着时间的变 化而变化，主要目的是为了了解在不同时间段过程所处的状态。 化工动态过程可以简单用下式来表示： 妾：厂o ) m 一 其中，x 为化工过程的变量因子，t 为时问变量。 绪论 1 3 3 化工动态模拟的一般过程 一般的要刘一个化工过程进行动态模拟，首先要对过程进行深入分析，然后 在此基础上建立数学模型，最后才是计算机程序的编制及求解。 ( 1 ) 化工动态过程的分析 对于一个动态过程，首先要把这个过程分解成若干个部分，其次是确定结构 关系，然后就是对各单元进行分析以便建立数学模型，最后是模型的检验和运用。 过程分析的一般过程如图卜l 所示。 图卜1 过程分析流程图 f i g u r e l - 1f l o wc h a r to f p r o c e s sa n a l y s i s ( 2 ) 数学模型的建立 数学模型的建立可以通过分析过程特征的方程式来获得“理论模型”，也可 以通过分析输入和输冉变量之间的关系来获得“经验模型”。但是由于实际的化 工过程很复杂，既不可能完全通过“理论模型”来描述，也不可能完全通过“经 验模型”来描述，对于这样的实际过程可以在一定的理论分析的基础上，辅以必 要的经验总结来确定其数学模型。这种数学模型是半理论半经验的，称为“混合 模型”，大多数化工过程的数学模型属于此类。 建立数学模型，一般是从原型( 模型所代表的原过程) 出发，通过机理方程 和相关的实验数据来建立模型方程式，然后拟定求解方法，最后编制计算机程序。 整个过程的步骤如图卜2 所示。 硕士学位论文 原型 建立数学模型的目的 建立模型方程式 拟定求解模型方 程的计算方法 编制计算机程序 并通过 检验 工 实现 机理方程 实验数据 陶卜2 建立数学模型的流程图 f i g u r e l - 2f l o wc h a r to f e s t a b l l s h m e n to f m a l h e m a t i cm o d e l 1 3 4 化工动态模拟的研究现状 在现阶段的化工动态模拟技术发展中，国内外对化工动态模拟的研究主要集 中在三个方面： ( 1 ) 专用化工动态模拟的研究 k r e u ll u ，g 6 r a k a 和d i t t r i c hc e h 等研究了催化蒸馏的过程模拟，提出了 一种新的模拟方法，该模拟包括了过程中物质和能量传递、化学反应以及非理想 的热力学过程等各主要方面，最后通过相关实验验证了其模拟的正确性。 b i s o w a m ob h 和t a d em 0 “”研究了乙基三丁基醚( e t b e ) 反应蒸馏装置 在启动时的动态模拟。他们发现所采用的启动策略不同，装置启动后的动力学特 性也随之发生变化，而为了避免能量浪费以及获得最佳过程操作，在启动操作中 多重输入是必要的。 s c h n e i d e rr ，s a n d e rf 矛1 g 6 r a ka i t 3 研究了工业反应吸收过程的动态模拟。 他们开发了一种新的基于双薄膜理论的严格动态两相模型，该模型应用于工业含 硫气体净化过程取得了很好的效果。 ( 2 ) 对化工动态模拟中数学模型的研究 b o r c h a r d t jd 4 认为在使用并行计算方法时，原先的微分代数方程系统也必须 绪论 被分成许多块，然后分配到各个计算机中去运算。这时要运用块状结构的牛顿方 法。文章提出了两种方法，并进行了比较。 g u t s c h er 年t l h a r t m a n nk 。“1 提出了种马尔町夫链的方法，这种方法允许预 测化工过程的稳态和动态行为，同时举了两个相关的例子。 ( 3 ) 计算机技术在化工动态过程模拟中应用 s h a wa m ，f r a n c i sj d 干l j s c h w a b e rj s j i s ? 提出了在非线性过程模型中运用 动态神经网络来进行模拟的方法。文中的两个例子表明这种方法有不错的效果。 m a r i g o l dm ，m o t zs ；f n g i l l e se d “73 提出了一种化工过程的动态模型的一种 构造方法，这种方法为在化工过程模型中模块化的应用提供了一种理论框架。 刘杰，刘焕彬和郭荷清等“讨论了面向对象技术在计算机动态模拟领域罩 应用方面的一些有关问题，包括：对象及类的标识、类库的建立、域及行为的推 迟定义及其在过程模拟中的应用等内容。 1 4 并行处理技术在化工过程模拟中的应用 在进行大规模化工过程模拟时，由于系统规模巨大，整个模拟过程包含了由 代数方程组成的大型系统的求解，而这一过程具有非常高的计算复杂性，导致耗 费大量的计算时间“。目盹单台计算机无法令人满意地完成大多数大规模化t 过程模拟的求解工作，因此，随着计算机技术和网络技术的迅速发展，将并行计算 的思想引入大型化工过程模拟问题的求解过程，应用高性能并行计算机体系来进 行计算，从而大大提高计算能力。国内外对这一方面已经进行了一定的研究并取 得了一些成果。 1 4 1 基于序贯模块法的模拟并行化 早期的大部分化工过程模拟通常都采用序贯模块法，所以一开始的并行化也 是对采用序贯模块法的算法进行修改。 ( 1 ) 稳态模拟 b e s tr j e e o ? 编写了一个序贯模块法模拟器的并行版本，并用4 个稳态和动态 模拟的例子进行了测试。他采用1 个主处理器和4 个从处理器来构建一个并行计 算机系统。各单元操作的模块分布在各个计算结点上，各结点之间的联系代表了 在各模块之间交换数据的过程。测试取得的加速比也不大，在采用4 个处理器的 条件下，有3 个例子的最大加速比约为2 。b e s t 发现整个并行计算的性能与过程 硕士学位论文 系统的规模和问题在整个计算网络的各个节点的分配有关，同时b e s t 在优化问 题的分配上进行了初步尝试，虽然取得了一些成果但是结果仍不完全令人满意。 k e i t hh b - 2 1 在c r a yx - m p 并行机上用f l o w t r a n 对4 个稳态模拟的例子 进行了测试，同时比较了使用1 个和2 个处理器的情形下的执行时问的差异。使 用c r a y r e s e a r c h 公司的一系列辅助程序来实现并行化，自动产生可以在c r a y 机 上运行的并行程序。然而，采用了2 个处理器的加速效果并不理想。 ( 2 ) 动态模拟 v a s e k v ”23 等人建立了并行求解精馏塔的模型，并对一一个2 0 级的精馏塔进行 了模拟测试，使用5 个处理器获得了3 5 的加速比，同时他们发现增加处理器对 加速比的提高影响很小。 k i l l o u g hj e ”33 在进行并行模拟时，发现负载不平衡成为整个并行系统的瓶 颈，指出当节点数增加到一定程度后，负载平衡问题是并行计算能否取得良好效 率的关键 1 4 2 基于面向方程法的模拟并行化 把描述整个过程的方程式集合在一起作为一个非线性代数方程组来处理的 方法叫做面向方程法。过去由于计算机性能的限制，通常采用实现简单、相对计 算量小的序贯模块法。而最近十多年以来，面向方程法已经成为化工过程模拟中 普遍采用的方法。由于整个过程的方程组规模巨大，所以比序贯模块法有更大的 并行化潜力。 o n e i l la j 。4 1 等人讨论了在并行计算机体系下对多组分多相态分离问题的 模拟计算，他们认为面向方程法有利于并行计算，利用矩阵的一系列变换将过程 系统模拟问题转化为稀疏矩阵求解问题，从而简化了问题，提高了并行性能，而 此时大规模稀疏线性方程组系统的求解已经成为并行计算的瓶颈。 p a l o s c h ij r ”“探讨了在m i m d 机器上使用并行预处理器来求解模拟问题的 可行性。p a l o s c h i 设计了并行预处理程序，并分别在两台m i m d 机器上进行了测 试，其中一台是带1 2 8 个处理器的f u j