光化学模拟叠加态分离方法与矩阵特征值并行算法

摘要

光化学反应是研究光与物质相互作用所引起的永久性化学效应的化学分支学科。目前,在实际光化学反应实验中,通过反应的中间产物来推断反应的过程,不能直接观察反应过程,且用于反应的飞秒激光仪价格昂贵,不利于光化学反应研究的推广。
　　 利用计算机技术模拟激光脉冲诱导光化学反应,不仅可以在原子水平上观察化学反应,追踪分子的变化细节,为实验提供激光控制化学反应的直接信息,其中详细了解超快分子过程的机理,如分子内振动能量的重分配、量子态的选择激发以及与脉冲性质的相互关系是实现控制化学反应的关键。
　　 我们所采用的激光诱导光化学反应的半经典动力学模型中,电子运动由量子力学描述,核运动则由经典力学表征。其中,求解哈密顿矩阵的特征值是最为耗时的部分之一同时还制约着本方法所能计算体系的大小。矩阵特征值求解算法的选择以及并行思想的运用,可以提高光化学模拟的效率。
　　 本文对光化学反应中矩阵特征值算法进行了研究:
　　 首先,编程实现了最新的约化Ehrenfest动力学方法,并成功运用于偶氮苯分子光致顺式-反式异构化模拟中混合态问题的解决。
　　 其次,通过对不同的矩阵特征值算法的时间复杂度、空间复杂度以及对该模型的适用性的比较分析后,采用单侧旋转法,分别基于OpenMP方法和MPI+OpenMP方法进行并行化设计。实验证明,MPI+OpenMP比单一并行方法的效果较好,更适合本光化学计算模型大规模计算的需要。
　　 最后,使用该模型对二苯乙烯进行顺-顺异构化的模拟工作,通过模拟结果对其反应过程进行分析。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 论文选题背景

1.2 光化学反应计算机模拟研究现状

1.3 并行计算研究现状

1.4 论文主要工作

1.5 论文组织结构

第二章 计算机光化学模拟及并行计算基础

2.1 光化学反应模拟

2.1.1 电子结构

2.1.2 核动力学

2.1.3 激光脉冲和电子耦合

2.1.4 程序流程

2.2 并行计算机模型和并行编程设计过程

2.2.1 并行计算机体系结构模型

2.2.2 并行计算机存储结构模型

2.2.3 并行编程设计过程

2.3 小吉

第三章 基于Ehrenfest模型电子特征态的分离

3.1 引言

3.2 Ehrenfest模型的特点

3.3 约化Ehrenfest动力学方法

3.4 实验测试

3.4.1 分子状态选取

3.4.2 测试

3.5 小结

第四章 半经典动力学矩阵特征值并行设计

4.1 引言

4.2 机群架构

4.3 单侧旋转求解特征值算法

4.4 并行策略

4.4.1 单一并行方法

4.4.2 混合并行方法

4.5 实验测试

4.6 小结

第五章 二苯乙烯光异构化反应

5.1 光异构化反应原理

5.2 二苯乙烯的光异构化

5.2.1 实验步骤和参数

5.2.2 实验现象与机理

5.3 小结

第六章 总结及未来工作

6.1 总结

6.2 未来工作

致谢

攻硕期间从事的科研工作及取得的研究成果

参考文献