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SF6气体由于其优异的物化性能,已成为电力行业中广泛使用的重要熄弧及绝缘介质。但由于SF6是一种强温室气体,已经被1997年通过的《京都议定书》列为全球需管制使用的六种气体之一,目前多数使用SF6/N2气体混合物来替代SF6,因其接近纯SF6的绝缘性能具有良好的应用前景。因此,针对SF6/N2混合气体放电过程的仿真模拟引起了各国学者的极大重视。
在研究过程中,多数采用等离子体粒子运动方程对SF6/N2混合气体的放电过程进行建模。在这个模拟过程中,需要跟踪带电粒子在外加电场作用下的运动过程,因而在每个时间步长内都要计算大量粒子中每两个粒子之间的相互作用及其所产生的运动,计算量十分可观,这导致了对计算机速度和容量几乎无止境的需求。
为了在有限的计算机资源条件下求解较大规模问题,在PC机群上实现放电模拟的并行算法是一种低成本、高效率、提升计算能力的解决方案。因此,本文提出了四种PC机群下减少执行开销的并行算法。第一、二种并行方法都是基于消息传递库(Message Passing Interface,MPI),分别采用划分放电模拟区域和划分带电粒子数目的策略;第三种方法采用同时划分模拟区域和带电粒子策略,设计了一个基于混合MPI与OpenMP的多级别并行算法。由于在前三种并行算法中存在着负载不平衡这一阻碍并行效率的瓶颈,算法四在多级别并行算法的基础上嵌入了一个负载平衡模块以获得更好的并行效率。
最后,本文搭建了一个由10台双核PC机组成的Linux机群实验平台,对10%-90%SF6/N2混合气体放电模拟过程的并行方法进行测试,比较并行算法与串行算法耗时的差异以及各并行算法的性能。模拟结果很好地证明了本文提出的并行算法在减少执行时间方面的可行性和优越性。
在研究过程中,多数采用等离子体粒子运动方程对SF6/N2混合气体的放电过程进行建模。在这个模拟过程中,需要跟踪带电粒子在外加电场作用下的运动过程,因而在每个时间步长内都要计算大量粒子中每两个粒子之间的相互作用及其所产生的运动,计算量十分可观,这导致了对计算机速度和容量几乎无止境的需求。
为了在有限的计算机资源条件下求解较大规模问题,在PC机群上实现放电模拟的并行算法是一种低成本、高效率、提升计算能力的解决方案。因此,本文提出了四种PC机群下减少执行开销的并行算法。第一、二种并行方法都是基于消息传递库(Message Passing Interface,MPI),分别采用划分放电模拟区域和划分带电粒子数目的策略;第三种方法采用同时划分模拟区域和带电粒子策略,设计了一个基于混合MPI与OpenMP的多级别并行算法。由于在前三种并行算法中存在着负载不平衡这一阻碍并行效率的瓶颈,算法四在多级别并行算法的基础上嵌入了一个负载平衡模块以获得更好的并行效率。
最后,本文搭建了一个由10台双核PC机组成的Linux机群实验平台,对10%-90%SF6/N2混合气体放电模拟过程的并行方法进行测试,比较并行算法与串行算法耗时的差异以及各并行算法的性能。模拟结果很好地证明了本文提出的并行算法在减少执行时间方面的可行性和优越性。