蒙特卡羅粒子輸運的組合幾何區(qū)域分解并行算法研究與應用.pdf

1、隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬和理論分析、科學實驗被公認為并列的三大科學研究方法。在核反應堆設計、臨界安全分析及屏蔽問題的粒子輸運數(shù)值模擬中，蒙特卡羅方法（Monte Carlo方法，簡稱MC方法）是非常重要的一種方法。它基于組合幾何建模，具有幾何仿真能力強、物理建模完善、對粒子能量和飛行角度等近似程度小、同時對問題維度不敏感等特點，應用越來越廣泛。
　　由于進行蒙特卡羅輸運模擬的粒子之間相互獨立，因此一般都采用粒子并行方式進行并

2、行計算，每個處理器核上需要存儲整個模型的幾何單元和計數(shù)量。然而，隨著粒子輸運數(shù)值模擬的不斷深入，物理建模日益完善和精細，導致模型幾何規(guī)模急劇上升，對計算機的存儲和速度提出了巨大挑戰(zhàn)。核反應堆精細模型的堆芯幾何單元多達數(shù)百萬乃至上千萬，計數(shù)量更是高達上億，遠遠超過單處理器核的內(nèi)存存儲量，使得傳統(tǒng)粒子并行方式的蒙特卡羅程序無法模擬。
　　本文立足核反應堆安全分析中的全堆芯pin-by-pin精細模型的蒙特卡羅粒子輸運計算問題，結(jié)合新型

3、多核并行機的體系結(jié)構(gòu)特點，以計算組合幾何單元數(shù)達到千萬量級以上、計數(shù)存儲量達到十億量級的超大規(guī)模模型為目標，研究蒙特卡羅粒子輸運區(qū)域分解并行計算中的關(guān)鍵技術(shù)。
　　本文首先設計了基于樹結(jié)構(gòu)的高效區(qū)域剖分算法和區(qū)域影像區(qū)構(gòu)造算法，分解幾何單元及計數(shù)存儲量到多個處理器上，兼顧負載平衡，解決了內(nèi)存存儲問題;結(jié)合蒙特卡羅粒子輸運計算的特點，面向粒子在區(qū)域間的高效傳遞，設計并實現(xiàn)了高效的非規(guī)則數(shù)據(jù)通信算法，以支持異步粒子輸運;將區(qū)域分解并行

4、算法與傳統(tǒng)的粒子并行算法相結(jié)合，實現(xiàn)了大規(guī)模兩級耦合并行計算，解決了區(qū)域分解并行可擴展性等關(guān)鍵問題;同時研究并實現(xiàn)了層次式的多級并行隨機數(shù)派生方法，確保串并行計算結(jié)果一致。并集成研究成果到蒙特卡羅粒子輸運支撐軟件框架JCOGIN上。
　　其次，針對基于JCOGIN框架研發(fā)蒙特卡羅中子光子耦合輸運程序JMCT的需求，進行了在并行框架下的軟件實現(xiàn)研究，根據(jù)中子、光子兩種粒子在輸運模擬中的特點，凝結(jié)數(shù)學上的共性，支持物理上的個性，設計了

5、處理粒子位置移動的輸運模塊和封裝粒子物理過程的物理模塊（分為中子物理模塊和光子物理模塊），實現(xiàn)了數(shù)學與物理的分離。進一步在物理模塊中，根據(jù)核反應截面數(shù)據(jù)特性，設計了連續(xù)能量點截面物理模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分為參數(shù)類和碰撞類，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)與操作的分離。其中參數(shù)類分層次存儲了各種截面數(shù)據(jù)，碰撞類則根據(jù)粒子能量插值計算各種相應截面，并嚴格遵循碰撞物理過程實現(xiàn)各種抽樣處理。將研究成果在JMCT程序上實現(xiàn)，并采用多個國際基準模型和考核模型進行了全方面的驗

6、證和確認。
　　最后，基于大亞灣核電站的壓水堆全堆芯pin-by-pin精細模型，開展了蒙特卡羅粒子輸運區(qū)域分解并行計算的實際應用。針對幾何單元從幾十萬到千萬的兩種類型的全堆芯pin-by-pin模型，實現(xiàn)了多種剖分方式的區(qū)域分解并行計算，以及區(qū)域分解與粒子并行耦合的兩級并行計算對該模型的臨界模擬計算。
　　計算結(jié)果表明，區(qū)域分解并行算法的模擬結(jié)果正確，且降低了單處理器核的內(nèi)存需求，能夠模擬單純粒子并行無法模擬的超大規(guī)模模型

7、，解決了蒙特卡羅粒子輸運面臨的內(nèi)存挑戰(zhàn)，同時能夠確保串并行結(jié)果一致。對于幾何單元過千萬、采用49群能量分群計數(shù)的256層全堆芯pin-by-pin模型，僅計數(shù)存儲量就超過12G，遠超過單核內(nèi)存，僅依靠粒子并行無法進行模擬，現(xiàn)采用區(qū)域分解并行算法對整個模型和計數(shù)進行八剖分，實現(xiàn)了對該模型的模擬。
　　針對多種區(qū)域剖分方式進行了詳細的并行測試，測試結(jié)果表明，區(qū)域分解并行算法與粒子并行相結(jié)合的兩級并行的并行效率和可擴展性非常好，處理器核