基于液态食品冷冻浓缩冰晶生长机制并行计算

摘要

本课题研究了基于在液态食品冷冻浓缩冰晶生长机制研究中建立起来的相场理论模型前提下，利用并行数值计算技术实现冰晶生长过程的数值模拟。模拟出在二维方向上冰晶的结构图，并进行了结果分析。在本论文中重点讨论了偏微分方程的数值分析方法以及并行计算机系统体系结构原理和理论以及其与并行应用程序设计有关的编程原则和方法。具体内容如下：
　　1)针对液态冷冻浓缩冰晶生长机制研究中利用相场理论建立的相场微分方程、溶质场微分方程和扰动微分方程数学模型，经过深入的理解和推导微分方程等效形式，分析了适合数值计算的形式并找出在时间和空间上数值离散的方法。
　　2)详细地讨论了并行计算机系统的结构一般原理，特别是与并行计算性能相关的硬件特征。
　　3)结合上海超算中心曙光5000A（230Tflops）超级计算机，讨论了的并行计算机的体系结构，特别是计算结点的资源情况，将数值分析的结果映射到曙光5000A计算结点上，抽象出并行计算的求解模型。
　　4)讨论了 MPI、OpenMP并行设计方法的一般原理，结合数值分析，讨论了粒度匹配加速比模型、研究了并行粒度划分与并行性能的关系以及计算与通信重叠的并行编程技术。
　　5)设计出了适合并行计算数据处理的算法和并行程序。
　　6)讨论了程序的数据结果分析、测试、并行性能评价方法。

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第一章 绪论

引言

1.1 研究背景和意义

1.2 本课题任务

1.3 论文的主要研究内容

1.4 论文结构

1.5 课题研究的技术路线

第二章 微分方程的解析与求解模型建立

2.1 数值分析的基本要求

2.2 数值分析的内容与方法

2.3 相场模型微分方程的数值离散

2.4数学求解模型及其描述

2.5 数学模型到计算模型的映射

2.6 本章小结

第三章 曙光S5000A的结构与并行计算模型

3.1 概述

3.2 巨型机用微处理器

3.3 并行计算机系统的性能度量

3.5 曙光5000A应用环境

3.6 建立并行计算模型

3.7 本章小结

第四章 并行算法实现

4.1 开发语言环境的选择

4.2 MPI与OpenMP

4.3 并行程序流程结构

4.4 本章小结

第五章 结果分析、程序测试及性能评估

5.1 数据的可视化

5.2 Tecplot可视化软件的功能与应用

5.3 并行系统测试方法与计划

5.3 并行程序测试方法和结果分析

5.4 程序并行性能的评估

5.5 本章小结

第六章总结与展望

6.1 全文总结

6.2 课题展望

致谢

参考文献