激光间接驱动靶丸辐射对称性GPU并行算法研究

摘要

激光间接驱动惯性约束聚变中,控制靶丸表面辐射对称性是实现可控核聚变点火成功的关键任务。数值模拟靶丸内爆物理过程以评价其表面辐射对称性的好坏,可以优化靶设计,提高实验效率。但仿真模型结构的复杂化和数值计算的密集化严重阻碍了仿真分析的进行。本文围绕如何准确、高效地计算靶丸辐射驱动对称性进行了系统地分析和研究。
　　计算靶丸表面能流分布是对称性分析以及对束-腔-靶位形参数优化的前提,目前主要使用视角因子求解。视角因子的解析法具有速度快但普适性低的特点,而离散化解法适用于各种腔靶结构和辐照条件。以两区均匀等效模型为基础,对辐射面进行三维网格离散后,分析了靶丸接受辐射能量的计算过程。针对其中出现的腔壁自身遮挡问题,利用四叉树结构对靶离散单元进行层次化表示,再依据包围盒的相交判断快速剔除遮挡单元。
　　离散化的网格单元导致了计算量的急剧增加,数值计算时间大大延长。并行技术是提供高性能计算的重要途径,而实现了CPU/GPU协同处理的CUDA出现使得并行计算更加经济高效。本文提出了一种在快速遮挡剔除下基于CUDA的靶丸辐射能流并行计算方法。在对三维离散视角因子算法并行性分析基础上,依据CUDA编程模型,将单元视角因子计算和遮挡检测过程映射至GPU各运算线程,完成了算法的CUDA并行化。
　　选择不同仿真模型进行数值实验,对算法的准确性和效率进行验证与分析。视角因子归一性和对比解析解,验证了算法有效性。对比CPU的计算结果表明,在保证计算精度的同时,基于CUDA的求解算法获得了令人满意的加速效果。最后介绍基于本文算法开发的靶丸辐射对称性及可视化软件的系统结构和功能模块,并给出了软件在神光-Ⅲ原型装置中对称性优化的工程实例。

目录

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1绪 论

1.1研究目的及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要研究工作

1.4全文结构安排及内容概要

2靶丸辐射对称性分析

2.1两区均匀等效模型

2.2靶丸表面能流分布计算

2.3基于四叉树的遮挡剔除

2.4球形靶丸对称性评价

2.5本章小结

3基于CUDA的并行3D-DVF算法

3.1 CUDA编程模型

3.2 3D-DVF算法的CUDA并行实现

3.3 3D-DVF并行算法性能优化

3.4本章小结

4数值实验验证及分析

4.1算法有效性验证

4.2基于CUDA的并行算法高效性验证

4.3仿真误差分析

4.4本章小结

5 ICF实验仿真软件开发

5.1系统概述

5.2靶丸对称性分析与参数优化

5.3计算数据可视化

5.4软件应用实例

5.5本章小结

6总结与展望

6.1全文总结

6.2展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表学术论文目录