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面向液态金属凝固的分子动力学并行算法研究与实现

作　者: 廖迎强
导　师: 李肯立
学　校: 湖南大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 分子动力学并行计算集群计算 MPI OpenMP
分类号: O469
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

金属的凝固过程是一个非常复杂的过程，既包含宏观过程也包含微观过程。分子动力学可以从微观尺度对液态金属凝固的过程进行模拟。在分子动力学模拟中，模拟体系包含的粒子数越多，得到的数据就越精确，就越能精确地得到液态金属凝固过程中的微观性质，预测事物发展的趋势，对具体的生产实践提供指导。但是分子动力学串行程序运行速度慢，模拟的原子数目有限，使模拟得到的结果与真实情况差距较大。并行计算的兴起，为大规模的分子动力学并行化提供了条件，促进了分子动力学并行化的快速发展。本文对分子动力学和并行计算基本理论进行了简单的回顾，根据并行计算的基本理论与方法，把之前用于模拟液态金属凝固的分子动力学并行程序改成基于MPI+OpenMP计算模型的并行程序，论文的核心工作包括以下内容：首先，针对以前的PVM并行程序只能模拟50,000-100,000个原子和计算效率低的问题，根据天河超级计算机的特点，结合分子动力学与并行计算基础，设计基于MPI+OpenMP模型的分子动力学并行算法，其中节点之间用MPI实现并行，节点内采用OpenMP实现并行。其次，我们用FORTRAN语言实现了该并行算法，与之前的并行程序进行了对比，并分析了此程序的性能。结果表明，该算法具有良好的加速比、并行效率和可扩展性，能够模拟500,000-10,000,000个原子，使模拟规模扩大100倍。最后，我们用该并行程序对5,000,000个Al原子进行了数值模拟分析，实验结果表明，模拟结果与真实结果基本一致，并得到了真实实验与小规模模拟实验不能的得到到的微观特性，证明了改后算法的正确性。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-12
第1章绪论  12-16
  1.1 背景及意义  12
  1.2 国内外研究现状  12-14
  1.3 本文的主要工作  14-15
  1.4 本文的组织结构  15-16
第2章分子动力学和并行计算基础  16-30
  2.1 引言  16-17
  2.2 分子动力学基本原理  17-18
  2.3 分子动力学初始条件及计算流程  18-20
    2.3.1 初始位置与初始速度  18-19
    2.3.2 消除整体动量与计算流程  19-20
  2.4 运动积分方程  20-21
  2.5 周性性边界条件  21
  2.6 积分步长与约化单位  21-22
  2.7 并行算法设计  22-23
  2.8 并行分解算法  23-26
  2.9 MPI消息通信  26-27
  2.10 OpenMP计算模型  27-28
  2.11 并行程序的性能评估方法  28-29
  2.12 小结  29-30
第3章分子动力学并行算法的设计与性能分析  30-44
  3.1 引言  30
  3.2 PVM并行算法  30-32
  3.3 基于MPI+OpenMP的并行算法设计与分析  32-37
  3.4 编译环境  37
  3.5 性能分析  37-43
  3.6 小结  43-44
第4章数值模拟分析  44-51
  4.1 引言  44
  4.2 数值模拟环境  44-46
  4.3 双体分布函数分析  46
  4.4 键对类型指数分析  46-47
  4.5 原子集群分析  47
  4.6 可视化分析  47-50
  4.7 小结  50-51
总结与展望  51-53
参考文献  53-58
致谢  58-59
附录A (攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录)  59-60
附录B (攻读硕士学位期间所参与的学术科研活动)  60

面向液态金属凝固的分子动力学并行算法研究与实现

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