并行计算FDTDMPI硕士论文.doc

三维FDTD并行算法的研究及应用【关键词】 并行计算; FDTD; MPI; 【英文关键词】 Parallel Computing; FDTD; MPI; 【中文摘要】 随着计算机技术的快速发展,电磁场数值计算方法的研究得到了迅速的发展。数值算法中的时域有限差分法(FDTD)近年来被广泛使用于各种工程实际问题中。该方法一次计算可以得到宽频带信息并且便于处理复杂形状和复杂介质的电磁问题。 本文针对复杂结构目标或电大尺寸的FDTD计算对内存要求高、计算耗时长的缺点,提出了基于MPI网络并行平台的三维FDTD并行算法,并应用于实际的算例中,实现了更高的计算效率。 在三维FDTD并行算法实现中,本文针对FDTD方法局域性特点,与以往的一维拓扑模式不同,创建了笛卡尔三维虚拟拓扑结构,实现三维方向上的区域分割;建立自定义数据类型,避免频繁的数据打包和解包过程,节省了打包和解包过程中中间存储变量占用的空间,减少了通信开销;采用阻塞式数据通信,缩短了通信延迟,提高了子域间的通信效率。 本套三维FDTD并行算法是在由PC机组成的网络并行系统上,基于MPI并行开发环境实现的。详细讨论了并行FDTD算法中的二阶Mur和UPML吸收边界的并行化处理方法,讨论了负载平衡问题,同时,分析了并行FDTD算法的并行性能。 【英文摘要】 With the rapid development of the computer technology, the numerical methods of electromagnetic field have been developed rapidly. During recent years, Numerical Algorithms in The finite difference time domain (FDTD) have been widely used in a variety of practical problems. The wide-band frequency information can be gained one time through this method of calculation, and it is easy to handle complex shape and complex medium of electromagnetic problems. This dissertation lays s strong emphasis on the esse.摘要 5-6 ABSTRACT 6 第一章 绪论 9-14 1.1 研究背景及意义 9-11 1.2 国内外研究现状 11-13 1.3 本文研究的主要内容 13-14 第二章 并行计算基础 14-21 2.1 并行计算概述 14-15 2.2 并行计算环境 15-16 2.3 消息传递并行编程环境MPI 16-18 2.4 并行计算算法 18-19 2.5 并行计算性能评估 19-20 2.6 本章小结 20-21 第三章 三维FDTD 算法的基本原理 21-30 3.1 FDTD 算法概述 21-24 3.2 数值稳定性 24 3.3 吸收边界条件 24-28 3.3.1 Mur 吸收边界条件 25-26 3.3.2 单轴各向异性理想匹配层UPML 26-28 3.4 近远场外推 28-29 3.5 本章小结 29-30 第四章 基于MPI 的三维FDTD 并行算法的实现 30-42 4.1 创建三维笛卡尔拓扑结构 30-32 4.2 数据通信 32-36 4.2.1 自定义数据类型 32-34 4.2.2 子区域间的数据通信 34-36 4.3 三大边界的并行化处理及负载平衡 36-39 4.3.1 二阶Mur 吸收边界并行化处理 37-38 4.3.2 UPML 吸收边界并行化处理 38-39 4.4 三维FDTD 并行计算的流程图及说明 39-41 4.5 本章小结 41-42 第五章 三维FDTD 并行算法的验证及应用 42-48 5.1 并行FDTD 算法验证 42-44 5.1.1 时谐场验证算例 42-43 5.1.2 瞬态场验证算例 43-44 5.2