计算物理 ›› 2023, Vol. 40 ›› Issue (5): 527-534.DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8662
• • 下一篇
胡少亮1,2(), 许开龙1,2,*(
), 徐然1,2, 刘再刚1,2, 徐小文1,2,*(
), 安恒斌1,2, 范荣红1,2, 汪振宇3, 王伟2
收稿日期:
2022-11-03
出版日期:
2023-09-25
发布日期:
2023-11-02
通讯作者:
许开龙, 徐小文
作者简介:
胡少亮(1990-), 博士, 从事数值代数算法库研发和面向应用的线性解法器算法研究, E-mail: hu_shaoliaong@iapcm.ac.cn
基金资助:
Shaoliang HU1,2(), Kailong XU1,2,*(
), Ran XU1,2, Zaigang LIU1,2, Xiaowen XU1,2,*(
), Hengbin AN1,2, Ronghong FAN1,2, Zhenyu WANG3, Wei WANG2
Received:
2022-11-03
Online:
2023-09-25
Published:
2023-11-02
Contact:
Kailong XU, Xiaowen XU
摘要:
针对复杂流动中Navier-Stokes(N-S)方程SIMPLE算法导出的压力Poisson(泊松)离散线性系统, 提出一类基于混合粗化的代数多重网格(AMG)算法。该算法采用一类非光滑聚类粗化和经典C/F粗化结合的方式构造网格层次结构, 希望在不影响收敛性的情况下, 减少AMG算法的启动开销。通过航空发动机燃烧室复杂流动数值模拟应用验证了该算法的有效性。结果表明: 对于典型算例, 相对于经典AMG算法, 该算法可以获得78%的加速。
胡少亮, 许开龙, 徐然, 刘再刚, 徐小文, 安恒斌, 范荣红, 汪振宇, 王伟. 求解压力Poisson方程的混合粗化代数多重网格算法[J]. 计算物理, 2023, 40(5): 527-534.
Shaoliang HU, Kailong XU, Ran XU, Zaigang LIU, Xiaowen XU, Hengbin AN, Ronghong FAN, Zhenyu WANG, Wei WANG. A Algebraic Multigrid Algorithm Based on Hybrid Coarsening for Pressure Poisson Equation[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2023, 40(5): 527-534.
时间/s | C-AMG | SA-AMG | UA-AMG | FV-AMG | HC-AMG |
启动时间 | 5.37 | 9.67 | 2.73 | 1.439 | 1.443 |
求解时间 | 20.59 | 34.91 | 26.26 | 15.92 | 13.59 |
总时间 | 25.96 | 44.58 | 28.99 | 17.36 | 15.03 |
平均迭代次数 | 20.20 | 24.10 | 20.60 | 22.90 | 19.35 |
表1 台阶流算例,27.9万网格,1核,模拟10个非线性步,Poisson线性系统求解信息
Table 1 Step model case, 0.279 million cells of mesh, one core, 10 nonlinear steps of simulation, results of linear solver for Poisson system
时间/s | C-AMG | SA-AMG | UA-AMG | FV-AMG | HC-AMG |
启动时间 | 5.37 | 9.67 | 2.73 | 1.439 | 1.443 |
求解时间 | 20.59 | 34.91 | 26.26 | 15.92 | 13.59 |
总时间 | 25.96 | 44.58 | 28.99 | 17.36 | 15.03 |
平均迭代次数 | 20.20 | 24.10 | 20.60 | 22.90 | 19.35 |
时间/s | C-AMG | SA-AMG | UA-AMG | FV-AMG | HC-AMG |
启动时间 | 42.27 | 29.83 | 8.60 | 5.12 | 5.98 |
求解时间 | 116.62 | 151.89 | 1 373.08 | 121.11 | 80.96 |
总时间 | 158.89 | 181.72 | 1 381.68 | 126.23 | 86.85 |
平均迭代次数 | 24.35 | 29.40 | 32.30 | 36.10 | 30.30 |
表2 燃烧室算例,2千万网格,100核,模拟10个非线性步,Poisson线性系统求解信息
Table 2 Combustion chamber model case, 20 million cells of mesh, 100 cores, 10 nonlinear steps of simulation, results of linear solver for Poisson system
时间/s | C-AMG | SA-AMG | UA-AMG | FV-AMG | HC-AMG |
启动时间 | 42.27 | 29.83 | 8.60 | 5.12 | 5.98 |
求解时间 | 116.62 | 151.89 | 1 373.08 | 121.11 | 80.96 |
总时间 | 158.89 | 181.72 | 1 381.68 | 126.23 | 86.85 |
平均迭代次数 | 24.35 | 29.40 | 32.30 | 36.10 | 30.30 |
时间/s | C-AMG | HC-AMG | 时间减少比重/% |
启动时间 | 2 112.33 | 300.31 | 85.80 |
求解时间 | 5 330.29 | 3 876.69 | 27.27 |
总时间 | 7 442.62 | 4 176.90 | 43.88 |
表3 燃烧室算例,2千万网格,100核,模拟500个非线性步,Poisson线性系统求解信息
Table 3 Combustion chamber model case, 20 million cells of mesh, 100 cores, 500 nonlinear steps of simulation, results of linear solver for Poisson system
时间/s | C-AMG | HC-AMG | 时间减少比重/% |
启动时间 | 2 112.33 | 300.31 | 85.80 |
求解时间 | 5 330.29 | 3 876.69 | 27.27 |
总时间 | 7 442.62 | 4 176.90 | 43.88 |
核数 | 线性解法器时间/s | 加速比 | 并行效率/% |
100 | 3 209.56 | 1 | 100 |
200 | 1 507.66 | 2.13 | 106.50 |
400 | 732.92 | 4.38 | 109.50 |
800 | 384.63 | 8.34 | 104.25 |
1 000 | 335.91 | 9.55 | 95.50 |
1 600 | 239.50 | 13.40 | 83.75 |
3 200 | 202.56 | 15.85 | 49.53 |
表4 燃烧室算例,2千万网格,模拟500个非线性步,强可扩展测试结果
Table 4 Combustion chamber model case, 20 million cells of mesh, 500 nonlinear steps of simulation, strong scalability results of linear solver
核数 | 线性解法器时间/s | 加速比 | 并行效率/% |
100 | 3 209.56 | 1 | 100 |
200 | 1 507.66 | 2.13 | 106.50 |
400 | 732.92 | 4.38 | 109.50 |
800 | 384.63 | 8.34 | 104.25 |
1 000 | 335.91 | 9.55 | 95.50 |
1 600 | 239.50 | 13.40 | 83.75 |
3 200 | 202.56 | 15.85 | 49.53 |
核数 | 线性解法器时间/s | 加速比 | 并行效率/% |
400 | 1 033.82 | 1 | 100 |
800 | 511.14 | 2.02 | 101.00 |
1 600 | 258.42 | 4.00 | 100.00 |
3 200 | 137.42 | 7.52 | 94.00 |
6 400 | 76.76 | 13.47 | 84.19 |
10 000 | 64.71 | 16.98 | 67.92 |
表5 燃烧室算例,1.6亿网格,模拟50个非线性步,强可扩展测试结果
Table 5 Combustion chamber model case, 0.16 billion cells of mesh, 50 nonlinear steps of simulation, strong scalability results of linear solver
核数 | 线性解法器时间/s | 加速比 | 并行效率/% |
400 | 1 033.82 | 1 | 100 |
800 | 511.14 | 2.02 | 101.00 |
1 600 | 258.42 | 4.00 | 100.00 |
3 200 | 137.42 | 7.52 | 94.00 |
6 400 | 76.76 | 13.47 | 84.19 |
10 000 | 64.71 | 16.98 | 67.92 |
1 |
DOI |
2 |
|
3 |
|
4 |
|
5 |
|
6 |
|
7 |
|
8 |
|
9 |
DOLEAN V, JOLIVET P, NATAF F. An introduction to domain decomposition methods: Algorithms, theory, and parallel implementation[M]. Philadelphia: Society for Industrial and Applied Mathematics.
|
10 |
RUGE J W, STVBEN K. Algebraic multigrid[M]//McCORQRMICK S F, ed. Multigrid Methods. Philadelphia: Society for Industrial and Applied Mathematics, 1987: 73-130.
|
11 |
CLEARY A J, FALGOUT R D, HENSON V E, et al. Coarse-grid selection for parallel algebraic multigrid[C]//Solving Irregularly Structured Problems in Parallel. Springer: Berlin, Heidelberg, 1998: 104-115.
|
12 |
DOI |
13 |
DOI |
14 |
FALGOUT R D, YANG U M. Hypre: A library of high performance preconditioners[C]//Proceedings of the International Conference on Computational Science-Part Ⅲ, 2002: 632-641.
|
15 |
|
16 |
BALAY S, GROPP W, MCINNES L C, et al. The portable, extensible toolkit for scientific computation[R]. Argonne National Laboratory, 2005.
|
17 |
WIESNER T A, SHADID J N, CYR E C, et al. MueLu-a multigrid framework for multiphysics preconditioners[R]. Sandia National Lab(SNL-NM), Albuquerque, NM (United States); Sandia National Lab(SNL-CA), Livermore, CA (United States), 2017.
|
18 |
DOI |
19 |
MATSSON J E. An introduction to ANSYS fluent 2022[M]. Sdc Publications, 2022.
|
20 |
|
21 |
|
22 |
DOI |
23 |
DOI |
24 |
MECHITOUA N, HULSEMANN F, FOURNIER Y. Improvement of a finite volume based multigrid method applied to elliptic problems[R]. Int Conf on Math, Comp Methods & Reactor Physics(M&C09), Saratoga Springs, New York, 2009.
|
25 |
|
26 |
DOI |
27 |
|
28 |
DOI |
29 |
|
30 |
DOI |
31 |
DOI |
32 |
许开龙, 刘再刚, 姜胜利, 等. 指定流量分配系数的多回流出口边界算法[J]. 航空学报, 2023, 44(5): 93- 105.
|
33 |
DOI |
[1] | 胡毅, 安恒斌. 半导体器件数值模拟中电子连续性方程的求解算法[J]. 计算物理, 2023, 40(5): 570-582. |
[2] | 胡少亮, 徐小文, 郑宇腾, 赵振国, 王卫杰, 徐然, 安恒斌, 莫则尧. 系统级封装应用中时谐Maxwell方程大规模计算的求解算法:现状与挑战[J]. 计算物理, 2021, 38(2): 131-145. |
[3] | 刘全, 倪国喜, 牛霄, 胡军. Vlasov-Poisson方程半拉格朗日守恒算法[J]. 计算物理, 2020, 37(1): 19-25. |
[4] | 周志阳, 徐小文, 舒适, 冯春生, 莫则尧. 二维三温辐射扩散方程组两层预条件子的自适应求解[J]. 计算物理, 2012, 29(4): 475-483. |
[5] | 成杰, 张林波. 一种可扩展的三维半导体器件并行数值模拟算法[J]. 计算物理, 2012, 29(3): 439-448. |
[6] | 朱海涛, 欧阳洁, 王晓东. 粘性不可压流的变分多尺度数值模拟[J]. 计算物理, 2011, 28(3): 347-354. |
[7] | 李厚彪, 刘兴平, 谷同祥, 黄廷祝, 李红. Poisson方程有限差分逼近的两种保对称Stencil消元格式[J]. 计算物理, 2010, 27(3): 335-341. |
[8] | 陈军. 不规则区域上并行求解Poisson方程[J]. 计算物理, 2010, 27(3): 369-374. |
[9] | 徐小文, 莫则尧, 安恒斌. 求解二维三温辐射扩散方程组的一种代数两层迭代方法[J]. 计算物理, 2009, 26(1): 1-8. |
[10] | 徐小文, 莫则尧. 并行代数多重网格算法可扩展性能分析[J]. 计算物理, 2007, 24(4): 387-394. |
[11] | 舒适, 黄云清, 阳莺, 蔚喜军, 肖映雄. 一类三维等代数结构面剖分下的代数多重网格算法[J]. 计算物理, 2005, 22(6): 18-22. |
[12] | 刘朝霞, 常谦顺. 由扩散张量导出的各向异性扩散模型的隐式数值模拟[J]. 计算物理, 2005, 22(4): 365-370. |
[13] | 薛具奎. 求解非定常不可压N-S方程的预处理方法[J]. 计算物理, 2002, 19(5): 403-407. |
[14] | 陈琪, 马逸尘, 应根军, 杨小斌. Poisson方程Neumann边值反问题的存在性、唯一性和稳定性[J]. 计算物理, 2001, 18(6): 531-538. |
[15] | 付汉清, 常谦顺. 用代数多重网格法求解一维分裂格式的Euler方程[J]. 计算物理, 1997, 14(1): 19-25. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||
版权所有 © 《计算物理》编辑部
地址:北京市海淀区丰豪东路2号 邮编:100094 E-mail:jswl@iapcm.ac.cn
本系统由北京玛格泰克科技发展有限公司设计开发