×

强制(N)-体问题的分析和并行实现。 (英语) Zbl 1349.70024号

小结:理解N体问题中的粒子动力学对于天体物理、分子动力学和云/等离子体物理的许多应用都具有重要意义,在这些应用中,理论表示导致了大量实体的耦合方程组。本文讨论了求解一个特定的N体问题的算法,即在无颗粒湍流中流体动力学相互作用粒子的扰动速度系统。该系统是根据[1]的改进叠加法推导而来的。针对PB级计算机上的可扩展计算,我们对具有不同特征的GMRes的并行实现进行了深入研究,如预处理器、无矩阵和通过1D和2D空间域分解的矩阵并行稀疏表示。研究了高斯-赛德尔方法作为参考迭代算法。详细讨论了每种方法的效率和失败条件的范围。通过微扰分析,我们进行了一系列实验,以了解粒子大小、相互作用对称性、粒子间距和相互作用截断对线性系统特征值和正规性的影响。对于系统是病态的情况,我们引入了一个受限的Schwarz型预条件子。我们在并行机上使用一维区域分解验证了预条件器的并行效率。为了了解所提方法在并行机上的可扩展性,研究了分辨率为512^3、粒子数为2乘以10^6的粒子充满湍流的基准问题。我们已经开发了一种稳定且高度可扩展的并行解算器,即使是通过预处理的病态系统,也具有可负担的计算成本。在64个核上,在2D域分解中使用GMRes,我们实现了\(\sim 5.6x \)的加速(相对于相同数量处理器上的1D域分解)。我们的复杂性分析表明,对于大型N体问题,所提出的GMRes方案适用于当前万亿到千万兆计算机中的中到大量处理器。

理学硕士:

70层10 \(n\)-身体问题
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部

参考文献:

[1] O.阿亚拉。;Grabowski,W。;Wang,L.-P.,《模拟流体动力学相互作用粒子湍流碰撞的混合方法》,J.Comp。物理。,225, 51-73 (2007) ·Zbl 1118.76036号
[2] 王丽萍。;O.阿亚拉。;Kasprzak,S。;Grabowski,W.,湍流大气中流体动力学相互作用云滴碰撞速率和碰撞效率的理论公式,J.Atmos。科学。,62, 2433-2450 (2005)
[3] 王丽萍。;O.阿亚拉。;Grabowski,W.W.,《气动相互作用对双分散悬浮液中重粒子运动的影响》,J.Turbul。,8 (2007)
[4] Saad,Y.,稀疏线性系统的迭代方法(2003),SIAM·兹比尔1002.65042
[5] 西蒙西尼,V。;Szyld,D.,关于精确和不精确Krylov子空间方法超线性收敛的发生,SIAM Review,47,247-272(2005)·Zbl 1079.65034号
[6] 萨阿德,Y。;Schultz,M.H.,GMRES:求解非对称线性系统的广义最小残差算法,SIAM科学与统计计算杂志,7856(1986)·Zbl 0599.65018号
[7] Trefethen,L.N。;Bau,D.,《数值线性代数》(1997),SIAM·Zbl 0874.65013号
[8] van der Vost,H.A.,《大型线性系统的迭代Krylov方法》(2003),剑桥大学出版社·Zbl 1023.65027号
[9] 帕索斯,G。;Kavousanakis,M.E。;Spyropoulos,A.N。;Palyvos,J.a。;Boudouvis,A.G.,用并行GMRES方法同时求解大型线性系统和特征值问题,J.Compute。申请。数学。,227, 196-205 (2009) ·Zbl 1161.65027号
[10] He,H。;Bergere,G。;Petiton,S.,用于加速线性系统并行求解的混合GMRES/LS-Arnoldi方法,计算。数学。申请。,51, 1647-1662 (2006) ·Zbl 1146.65314号
[11] Erhel,J.,通用稀疏矩阵的并行GMRES版本,电子传输。数字。分析。,3, 160-176 (1995) ·Zbl 0860.65021号
[12] 达夫,I.S。;van Der Vorst,H.A.,线性系统并行解的发展和趋势,并行计算。,25, 1931-1970 (1999)
[14] 艾利森特区。;Sosonkina,M。;Watson,L.T.,并行GMRES实现的可扩展性分析,并行算法。申请。,17, 263-284 (2002) ·Zbl 1103.65341号
[15] de Sturler,E。;van Der Vorst,H.,减少GMRES()和CG中全局通信对并行分布式内存计算机的影响,应用。数字。数学。,18, 441-459 (1995) ·Zbl 0842.65019号
[16] 杨伟华(Yang,W.-H.)。;沙茨,G。;Van Duyne,R.,《计算任意形状小粒子消光和拉曼强度的离散偶极近似》,J.Chem。物理。,103, 869-875 (1995)
[17] Jensen,T。;Kelly,L。;拉扎里德斯,A。;Schatz,G.,贵金属纳米粒子和纳米粒子簇的电动力学,《簇科学杂志》。,10, 295-317 (1999)
[18] Keh,H。;陈杰,电泳中的粒子相互作用,胶体干涉科学杂志。,158, 199-222 (1993)
[19] Filippov,A.,N个球体任意簇的光运动,J.胶体干涉科学。,241, 479-491 (2001)
[20] 耶伦,B。;弗里德曼,G。;Feinerman,A.,《磁性模板上磁性粒子组装的相互作用分析》,J.Appl。物理。,91, 8552-8554 (2002)
[21] Alward,J。;Imaino,W.,单组份碳粉的磁力,IEEE Trans。磁铁。,22, 128-134 (1986)
[22] 咖啡,R。;Luke,J.,悬浮液沉降速度的变化,Phys。流体,28759-760(1985)·Zbl 0586.76044号
[23] 科赫,D。;Shaqfeh,E.,《沉淀悬浮液筛选》,J.流体力学。,224, 275-303 (1991) ·Zbl 0721.76031号
[24] Felderhof,B.,小雷诺数下稀释悬浮液瞬态沉降中的流体动力学筛选和轴对称湍流,Physica a,3875999-6012(2008)
[25] 尹,X。;Koch,D.L.,有限雷诺数沉积悬浮液中的速度波动和水动力扩散,物理。流体,20043305(2008)·Zbl 1182.76852号
[26] 王丽萍。;罗莎,B。;高,H。;郭伟,H。;Jin,G.,《惯性粒子的湍流碰撞:基于点-粒子的混合模拟及超越》,《国际多相流杂志》,35,854-867(2009)
[27] 王丽萍。;O.阿亚拉。;Grabowski,W.,《关于叠加法的改进公式》,J.Atmosp。科学。,62, 1255-1266 (2005)
[28] 艾伦,M。;Tildesley,D.,《液体的计算机模拟》(1987),牛津大学出版社·Zbl 0703.68099号
[29] Davis,T.A.,《稀疏线性系统的直接方法》(2006),SIAM·Zbl 1119.65021号
[30] 罗莎,B。;Wang,L.-P,湍流中粒子跟踪和碰撞的并行实现,Lect。注释计算。科学。,6068, 388-397 (2009)
[31] Dmitruk,P。;王丽萍。;马修斯,W。;张,R。;Seckel,D.,Beowulf集群光谱模拟的可扩展并行FFT,并行计算。,27, 1921-1936 (2001) ·兹伯利0983.68234
[32] Fasshauer,G.E.,MATLAB的无网格近似方法。使用MATLAB的无网格近似方法,《跨学科数学科学》,6(2007),世界科学出版社·Zbl 1123.65001号
[33] Wendland,H.,《分散数据近似》(2005),剑桥大学出版社·Zbl 1075.65021号
[34] Fischer,B.,《对称线性系统基于多项式的迭代方法》(1996),John Wiley and Sons:John Willey and Sons Inc·Zbl 0852.65031号
[35] Driscoll,T.A。;Toh,K.-C。;Trefethen,L.N.,《从势理论到六步矩阵迭代》,SIAM Rev.,40,547(1998)·Zbl 0930.65020号
[36] 格林鲍姆,A。;Ptak,V。;Strakos,Z.,对于GMRES,任何非增量收敛曲线都是可能的,SIAM J.Matrix Ana。申请。,17, 465-469 (1996) ·Zbl 0857.65029号
[37] 新墨西哥州纳希蒂加尔。;南卡罗来纳州雷迪。;Trefethen,L.N.,非对称矩阵迭代有多快?,SIAM J.矩阵分析。申请。,13, 778 (1992) ·Zbl 0754.65036号
[38] O.阿亚拉。;Wang,L.-P.,使用二维区域分解的三维快速傅里叶变换的并行实现和可扩展性分析,并行计算。,39, 58-77 (2013)
[39] B.F.史密斯。;比约尔斯塔德,体育。;Gropp,W.D.,区域分解,椭圆偏微分方程的并行多层方法(2004),剑桥大学出版社·Zbl 0857.65126号
[40] Saad,Y.,《一种灵活的内外预处理GMRes算法》,SIAM J.Sci。计算。,14, 461-469 (1993) ·Zbl 0780.65022号
[41] Parks,M.L。;de Sturler,E。;Mackey,G。;约翰逊,D.D。;Maiti,S.,回收线性系统序列的Krylov子空间,SIAM J.Sci。计算。,28, 1651 (2006) ·Zbl 1123.65022号
[42] Bai,Z。;胡,D。;Reichel,L.,《牛顿基GMRES实现》,IMA J.Numer。,563-581 (1994) ·Zbl 0818.65022号
[43] 蔡,X.C。;Sarkis,M.,一般稀疏线性系统的限制加性Schwarz预条件,SIAM J.Sci。计算。,21, 792 (1999) ·Zbl 0944.65031号
[44] 托雷斯,C.E。;Barba,L.,通过定位和迭代使用高斯函数进行快速径向基函数插值,J.Compute。物理。,228, 4976-4999 (2009) ·Zbl 1168.65318号
[45] 横田,R。;巴巴拉。;Knepley,M.G.,PetRBF-一种用于高斯径向基函数插值的并行O(N)算法,计算。方法应用。机械。工程,1991793-1804(2010)·Zbl 1231.65026号
[46] Chen,K.,《矩阵预处理技术与应用》(2005),剑桥大学出版社·Zbl 1079.65057号
[47] Tebbens,J。;Tuma,M.,非对称线性系统序列的有效预处理,SIAM J.Sci。计算,291918-1941(2007)·Zbl 1155.65036号
[48] 吉罗,L。;格拉顿,S。;Martin,E.,线性系统序列的增量谱预条件,应用。数字。数学。,57, 1164-1180 (2007) ·Zbl 1123.65031号
[49] Darnell,D。;摩根,R。;Wilcox,W.,《具有多个移位和多个右侧的系统的收缩GMRES》,线性代数应用。,429, 2415-2434 (2008) ·Zbl 1153.65032号
[50] Manteuffel,T.a.,正定线性系统的不完全因式分解技术,数学。计算。,34, 473 (1980) ·Zbl 0422.65018号
[53] Trefethen,L.N。;魏德曼,J.a.C。;Schmelzer,T.,Talbot求积和有理逼近,BIT Numer。数学。,46, 653-670 (2006) ·Zbl 1103.65030号
[54] 黑尔,N。;北海厄姆。;Trefethen,L.N.,《通过轮廓积分计算A(α)、log(A)和相关矩阵函数》,SIAM J.Numer。分析。,46, 2505-2523 (2008) ·Zbl 1176.65053号
[55] Higham,N.J.,《矩阵的函数》。矩阵函数、理论与计算(2008),SIAM·Zbl 1167.15001号
[56] Frommer,A.,《重新启动移位线性系统的GMRES》,SIAM J.Sci。计算。,19, 15-26 (1998) ·Zbl 0912.65023号
[57] Olver,S.,振荡积分的移位GMRES,Numer。数学。,114, 607-628 (2009) ·Zbl 1189.65049号
[58] 阿鲁鲁,S。;古斯塔夫森,J。;Prabhu,G.M。;Sevilgen,F.E.,N体问题的独立于分布的分层算法,J.超级计算机。,12, 303-323 (1998) ·Zbl 0912.68215号
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。